Kỹ thuật thông tin quang 2
- 216 trang
- file: .pdf
đang tải dữ liệu....
Tài liệu bị giới hạn, để xem hết nội dung vui lòng tải về máy tính.
Tải xuống - 216 trangNội dung text: Kỹ thuật thông tin quang 2
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KỸ THUẬT
THÔNG TIN QUANG 2
(Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa)
Lưu hành nội bộ
HÀ NỘI - 2007
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KỸ THUẬT
THÔNG TIN QUANG 2
Biên soạn: THS. ĐỖ VĂN VIỆT EM
LỜI GIỚI THIỆU
Thế kỷ 21 là thế kỷ của công nghệ thông tin. Sự bùng nổ của các loại hình dịch vụ thông
tin, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Web làm gia tăng không
ngừng nhu cầu về dung lượng mạng. Ðiều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển các mạng
quang mới dung lượng cao. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM) là một giải
pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn của sợi quang, nâng cao rõ rệt
dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm. Sự phát triển của hệ thống WDM cùng
với công nghệ chuyển mạch quang sẽ tạo nên một mạng thông tin thế hệ mới-mạng thông tin toàn
quang. Trong mạng toàn quang này, giao thức IP- giao thức chuẩn cho mạng viễn thông thế hệ
sau (NGN) sẽ được tích hợp với WDM. Sự tích hợp này sẽ tạo ra một kết cấu mạng trực tiếp nhất,
đơn giản nhất, kinh tế nhất rất thích hợp sử dụng cho cả mạng đường trục và mạng đô thị
Cấu trúc của Bài giảngbao gồm bốn chương:
Chương I: Hệ thống thông tin quang WDM. Chương này trình bày các nguyên lý cơ bản
của DWDM, khảo sát chi tiết các hiện tượng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ
thống WDM, và các linh kiện được sử dụng cho hệ thống WDM.
Chương II: Khuếch đại quang. Chương này tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại
khuếch đại quang, tính năng và các ứng dụng của chúng trong mạng truyền dẫn quang
Chương III: Truyền tải IP/WDM. Chương này nghiên cứu về xu hướng tích hợp IP trên
WDM, đặc biệt quan tâm đến vấn đề định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM.
Chương IV: Hệ thống thông tin quang Coherent. Chương này tìm hiểu các nguyên lý cơ
bản của hệ thống coherent, những ưu điểm của nó so với hệ thống IM/DD và triển vọng
của công nghệ này trong tương lai.
Bài giảng được biên soạn nhằm phục vụ cho các lớp thuộc hệ Đại học từ xa của Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Ngoài ra Bài giảng cũng có thể sử dụng để làm tài liệu tham
khảo cho các sinh viên và kỹ sư chuyên ngành viễn thông.
Do khuôn khổ giới hạn cũng như tính ứng dụng thực tế của tài liệu, các mô hình toán học
được trình bày trong Bài giảng này đôi khi chỉ là các kết qủa cuối cùng và được giải thích, minh
họa bằng các ý nghĩa vật lý cụ thể. Ðể hiểu thêm về việc dẫn xuất và chứng minh các kết quả
này, bạn đọc có thể đọc thêm các tài liệu tham khảo.
Do tính chất phức tạp cũng như sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, Bài giảng “Hệ
thống thông tin quang II” không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi xin chân thành cám ơn
tất cả các ý kiến đóng góp của các bạn đọc để hoàn thiện hơn Bài giảng này.
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
i
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM
GIỚI THIỆU
Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta chứng kiến nhiều sự thay đổi quan trọng trong nền công
nghiệp viễn thông có ảnh hưởng to lớn đến cuộc sống của chúng ta. Có nhiều nguyên nhân gây ra
sự thay đổi này:
Trước hết đó là sự gia tăng liên tục về dung lượng mạng. Nhân tố chính cho sự gia tăng này là
sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Web. Bên cạnh đó là việc các nhà kinh
doanh ngày nay dựa vào các mạng tốc độ cao để thực hiện việc kinh doanh của mình. Những
mạng này được dùng để kết nối các văn phòng trong một công ty cũng như giữa các công ty
cho việc giao dịch thương mại. Ngoài ra còn có một sự tương quan lớn giữa việc gia tăng nhu
cầu và giá thành băng thông của mạng. Các công nghệ tiên tiến đã thành công trong việc giảm
liên tục giá thành của băng thông. Việc giảm giá thành của băng thông này lại làm thúc đẩy sự
phát triển của nhiều ứng dụng mới sử dụng nhiều băng thông và mô hình sử dụng hiệu quả
hơn. Chu kỳ hồi tiếp dương này cho thấy không có dấu hiệu giảm bớt trong một tương lai gần.
Bãi bỏ và phá vỡ sự độc quyền trong lĩnh vực viễn thông. Sự bãi bỏ sự độc quyền này đã kích
thích sự cạnh tranh trong thị trường, điều này dẫn đến kết quả là giảm giá thành cho những
người sử dụng và triển khai nhanh hơn những kỹ thuật và dịch vụ mới
Sự thay đổi quan trọng trong thể loại lưu lượng chiếm ưu thế trong mạng. Ngược lại với lưu
lượng thoại truyền thống, nhiều nhu cầu mới dựa trên dữ liệu ngày càng phát triển. Tuy nhiên
nhiều mạng hiện nay đã được xây dựng chỉ để hỗ trợ hiệu quả cho lưu lượng thoại, không
phải là dữ liệu. Việc thay đổi này là nguyên nhân thúc đẩy những nhà cung cấp dịch vụ kiểm
tra lại cách thức mà họ xây dựng nên mạng, kiểu dịch vụ phân phối và trong nhiều trường hợp
ngay cả mô hình kinh doanh toàn thể của họ.
Những nhân tố này đã dẫn đến sự phát triển của mạng quang dung lượng cao. Công nghệ để
đáp ứng việc xây dựng các mạng quang dung lượng cao này là công nghệ ghép kênh theo bước
sóng DWDM. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin quang WDM, cụ thể
sẽ nghiên cứu:
- Nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng quang (WDM).
- Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM do sự lan truyền của tín
hiệu WDM trong sợi quang, trong đó tập trung vào việc tìm hiểu các hiện ứng phi
tuyến.
- Các linh kiện, phần tử trong mạng WDM.
- Mô hình mạng WDM bao gồm các phần tử mạng, tôpô vật lý, tôpô logic, và các kỹ
thuật chuyển mạch bảo vệ
1
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
1.1 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG (WDM)
1.1.1 Giới thiệu chung
Sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là Internet đã làm bùng
nổ nhu cầu tăng băng thông (xem hình 1.1). Trong bối cảnh IP (Internet Protocol) đang nổi lên
như là nền tảng chung của mọi loại hình dịch vụ trong tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền
dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền
thoại nhưng lại kém hiệu quả trong việc tận dụng băng thông.
Löu löôïng
250 Döõ lieäu
200
150
100 Thoaïi
50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 Naêm
Hình 1.1 Tương quan giữa nhu cầu truyền thoại và truyền số liệu
Tóm lại, ta phải giải quyết bài toán tăng băng thông cho viễn thông tương lai. Các nhà
cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến ba phương thức truyền dẫn sau:
Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing): đơn giản và
không cần sự phát triển công nghệ, chỉ đơn thuần là tăng số lượng sợi quang, tốc độ
truyền dẫn vẫn giữ nguyên. Ta có thể chọn SDM nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng
thông đã có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng và khoảng cách tuyến truyền dẫn là đủ
ngắn để không cần dùng các bộ lặp, bộ khuếch đại. Nếu khoảng cách là xa, khi đó chi phí
sẽ vụt tăng do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuyếch đại... như
hệ thống cũ.
Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM (Time Devision Multiplexing): tăng tốc độ
truyền dẫn lên trên sợi quang. Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, ta phải
xem xét đến hai vấn đề: trước và khi truyền trên sợi quang. Trước khi chuyển thành tín
hiệu quang để truyền đi, các linh kiện điện tử có khả năng xử lí với tốc độ bit tối đa là bao
nhiêu? Thực tế hiện nay cho thấy, ở đa số các mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả
năng đáp ứng tốt đối với các dòng tín hiệu ở tốc độ 2.5 Gbps hoặc 10 Gbps. Như vậy thì
chưa giải quyết trọn vẹn bài toán tăng băng thông. Trong phòng thí nghiệm đã cho các
linh kiện hoạt động ở tốc độ 40 Gbps hoặc 80 Gbps. Ðể TDM có thể đạt được những tốc
độ cao hơn, các phương pháp thực hiện tách/ghép kênh trong miền quang, được gọi là
phân kênh thời gian trong miền quang (Optical time Division Multiplexing - OTDM)
đang được tích cực triển khai. Các kết qủa nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy
2
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
OTDM có thể ghép được các luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s. Nhưng khi đó, truyền
trên sợi quang sẽ vấp phải các vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn:
tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính.
Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép
thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền
dẫn trên một bước sóng. Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất
trong điều kiện công nghệ hiện tại. Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện
điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại. Thay vào đó, công
nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong
khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều
băng sóng hoạt động như minh hoạ trên bảng 1.1. Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở
băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này). Về sau, EDFA có khả năng
hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt
động ở cả băng C và băng L. Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước
sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ
hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên
tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông
truyền trên một sợi quang lên 64 lần !
Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng
Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng (nm)
Băng O Original 1260 đến 1360
Băng E Extended 1360 đến 1460
Băng S Short 1460 đến 1530
Băng C Conventional 1530 đến 1565
Băng L Long 1565 đến 1625
Băng U Ultra-long 1625 đến 1675
1.1.2 Sơ đồ khối tổng quát
a) Ðịnh nghĩa
Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ
“trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát, nhiều tín
hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang.
Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào
các đầu cuối khác nhau.
b) Sơ đồ chức năng
Như minh hoạ trên hình 1.2, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi
quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:
Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser. Hiện tại đã có
một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa
bước sóng (Multiwavelength Laser)... Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ
3
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm,
độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép.
Tx1 Rx1
Tx2 Rx2
DE
MUX Truyeàn tín hieäu treân sôïi quang MUX
EDFA EDFA
TxN Khueách ñaïi tín hieäu Khueách ñaïi tín hieäu RxN
Phaùt tín hieäu Thu tín hieäu
Gheùp tín hieäu Taùch tín hieäu
Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành
một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là
sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi
cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng
mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc
Fabry-Perot... Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng
cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của
kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản
xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa...
Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của
nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến
khuếch đại tín hiệu ... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang
(loại sợi quang, chất lượng sợi...) mà ta sẽ xét cụ thể trong phần 1.2.
Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi
EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng
đã được sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại
đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm
bảo các yêu cầu sau:
- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không
quá 1 dB).
- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức
công suất đầu ra của các kênh.
- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ
số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các
kênh.
Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang
như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.
4
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
c) Phân loại hệ thống WDM
Tx1 λ1, λ 2, λ3,..., λN
Rx1
Tx2 Rx2
MUX DE
λ1, λ 2, λ3,..., λN MUX
EDFA EDFA
TxN
Heä thoáng WDM ñôn höôùng RxN
Tx1 Rx1
λ1, λ 2, λ3,..., λi
Tx2 Rx2
DE
MUX λ (i + 1), λ (i + 2),..., λN
MUX
EDFA EDFA
TxN
Heä thoáng WDM song höôùng RxN
Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như
minh hoạ trên hình 1.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để
truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền
hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ
cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:
Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so
với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song
hướng.
Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ
tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng
nhận biết sự cố một cách tức thời.
Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét
thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang,
đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng
chung một bước sóng.
Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ
thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng
giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất
quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.
1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM
Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của công
nghệ WDM như sau:
5
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Ưu điểm của công nghệ WDM:
- Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được ghép vào để
truyền trên một sợi quang.
- Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ
trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, chuyển mạch
kênh, IP ...
- Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông
truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp
độ khác nhau.
- Hiện tại, chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng truyền
tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình
dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động ...
Nhược điểm của công nghệ WDM:
- Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụng được
băng C và băng L).
- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.
- Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai
WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng khá gay gắt.
1.1.4 Lưới ITU
Việc chuẩn hoá các bộ bước sóng dùng cho các mạng WDM là hết sức cần thiết vì nó bảo
đảm cho các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau đều được sản xuất theo cùng một tiêu chuẩn,
và đều làm việc tương thích với nhau.
Khi chuẩn hoá bước sóng, vấn đề cần phải xem xét đầu tiên là là khoảng cách giữa các
kênh phải dựa theo tần số hay bước sóng. Khoảng cách tần số bằng nhau sẽ làm cho khoảng cách
bước sóng hơi khác nhau. Không có một tiêu chuẩn kỹ thuật nào được ưu tiên để lựa chọn trong
trường hợp này. Trong khuyến cáo ITU-G.692 các kênh cách nhau một khoảng 50 GHz (tương
đương với khoảng cách bước sóng là 0.4nm) với tần số trung tâm danh định là 193.1THz
(1552.52 nm). Tần số này ỡ giữa dải thông của sợi quang 1.55μm và bộ khuếch đại quang sợi
EDFA (xem hình 1.4). Khoảng cách này phù hợp với khả năng phân giải của các bộ
MUX/DEMUX hiện nay, độ ổn định tần số của các bộ laser, MUX/DEMUX,... Khi công nghệ
hoàn thiện hơn khoảng cách này sẽ phải giảm đi.
Một vấn đề khác, khó khăn hơn là chọn lựa một bộ bước sóng tiêu chuẩn bảo đảm cho các
hệ thống cho 4, 8, 16, và 32 bước sóng hoạt động tương thích với nhau bởi vì các nhà sản xuất
đều có các cấu hình kênh tối ưu riêng và các kế hoạch nâng cấp hệ thống từ ít kênh lên nhiều kênh
khác nhau. ITU đã chuẩn hoá (ITU G.959) bộ 16 bước sóng bắt đầu từ tần số 192.1 THz, rộng
200GHz mỗi bên cho giao diện đa kênh giữa các thiết bị WDM.
Cuối cùng là phải lưu ý không chỉ bảo bảo đảm các tần số trung tâm mà còn phải bảo đảm
độ lệch tần số tối đa cho phép. Đối với Δf ≥ 200 GHz, ITU quy định độ lệch tần số là không vượt
6
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
quá ±Δf /5 GHz. Với Δf =50 GHz và Δf =100 GHz thì đến thới điểm này ITU vẫn chưa chuẩn
hoá.
Hình 1.4 Lưới bước sóng theo ITU
1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ
THỐNG WDM
Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin
quang, bao gồm:
- Suy hao
- Tán sắc
- Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.
Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng
khác nhau. Ví dụ:
Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là
suy hao.
Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm
là suy hao và tán sắc.
Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải
xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến.
Hiện tượng suy hao và tán sắc đã được trình bày chi tiết trong bài giảng “ Hệ thống thông tin
quang 1”.Trong phần này sẽ tập trung trình bày về các hiện tương phi tuyến.
1.2.1 Tổng quan về các hiệu ứng phi tuyến
a) Định nghĩa
Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ
ánh sáng (công suất). Các hiện tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin
quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps. Tuy nhiên,
ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps và cao hơn và/hay ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các
7
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng. Trong các hệ thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở
nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải.
Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm 2 loại. Loại thứ nhất phát sinh do tác động qua
lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường silica- một trong
nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là tán xạ Rayleigh. Hai hiệu ứng chính trong
loại này là tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS).
Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ
lệ với bình phương biên độ điện trường. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu
ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross-
Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing). Loại hiệu ứng này
được gọi là hiệu ứng Kerr.
Trong các hiệu ứng tán xạ phi tuyến, năng lượng từ một sóng ánh sáng được chuyển sang
một sóng ánh sáng khác có bước sóng dài hơn (hoặc năng lượng thấp hơn). Năng lượng mất đi bị
hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các phonon (loại phonon liên quan đến sự khác nhau giữa
SBS và SRS). Sóng thứ hai được gọi là sóng Stokes. Sóng thứ nhất có thể gọi là sóng bơm
(Pump) gây ra sự khuếch đại sóng Stokes. Khi sóng bơm truyền trong sợi quang, nó bị mất năng
lượng và sóng Stokes nhận thêm năng lượng. Trong trường hợp SBS, sóng bơm là sóng tín hiệu
và sóng Stokes là sóng không mong muốn được tạo ra do quá trình tán xạ. Trong trường hợp SRS,
sóng bơm là sóng có năng lượng cao và sóng Stokes là sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng
bơm.
Nói chung, các hiệu ứng tán xạ được đặc trưng bởi hệ số độ lợi g, được đo bằng m/w
(meters per watt) và độ rộng phổ Δf (đối với độ lợi tương ứng) và công suất ngưỡng Pth của ánh
sáng tới - mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ là 3 dB, tức là một nửa công suất trên toàn
bộ độ dài sợi quang. Hệ số độ lợi là một đại lượng chỉ cường độ của hiệu ứng phi tuyến.
Trong trường hợp tự điều pha SPM, các xung truyền bị hiện tượng chirp (tần số xung
truyền đi thay đổi theo thời gian). Ðiều này làm cho hệ số chirp (chirped factor) trở nên đáng kể ở
các mức năng lượng cao. Sự có mặt của hiện tượng chirp làm cho hiệu ứng giãn xung do tán sắc
màu tăng lên. Do vậy, chirp xảy ra do SPM (SPM induced chirp) có thể gây tăng độ giãn xung do
tán sắc màu trong hệ thống. Ðối với các hệ thống tốc độ bit cao, chirp do SPM có thể làm tăng
một cách đáng kể độ giãn xung do tán sắc màu thậm chí ở các mức công suất vừa phải. Ảnh
hưởng của SPM không chỉ phụ thuộc vào dấu tham số GVD (Group Velocity Dispersion) mà còn
phụ thuộc vào chiều dài của hệ thống.
Trong hệ thống WDM đa kênh, chirp xảy ra trong một kênh phụ thuộc vào sự thay đổi
chiết suất theo cường độ của các kênh khác. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điều chế xuyên
pha (CPM - Cross-Phase Modulation). Khi xem xét hiện tượng chirp trong một kênh do sự thay
đổi chiết suất theo cường độ của chính kênh đó, ta gọi là hiệu ứng này SPM.
Trong các hệ thống WDM, một hiệu ứng quan trọng khác đó là hiệu ứng trộn bốn bước
sóng. Nếu hệ thống WDM bao gồm các tần số f1, f2,…,fn, hiệu ứng trộn bốn bước sóng sinh ra
các tín hiệu tại các tần số như là 2fi - fj, và fi + fj - fk. Các tín hiệu mới này gây ra xuyên kênh
(crosstalk) với các tín hiệu có sẵn hệ thống. Xuyên kênh này ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng khi
khoảng cách giữa các kênh hẹp. Việc giảm tán sắc màu làm tăng xuyên kênh gây ra bởi hiệu ứng
8
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
trộn bốn bước sóng. Vì vậy, hệ thống sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc chịu ảnh hưởng của
hiệu ứng trộn bốn bước sóng nhiều hơn là hệ thống sử dụng sợi đơn mốt.
b) Chiều dài và diện tích hiệu dụng
Sự tác động phi tuyến phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn và mặt cắt ngang của sợi quang.
Tuyến càng dài, sự tác động qua lại giữa ánh sáng và vật liệu sợi quang càng lớn và ảnh hưởng
của phi tuyến càng xấu. Tuy nhiên, khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang, công suất của tín hiệu
giảm đi do suy hao của sợi quang. Vì vậy, hầu hết các hiệu ứng phi tuyến xảy ra ngay trong
khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.
Pin Pin
Công suất
Công suất
Chiều dài tuyến L Leff Chiều dài tuyến
(a) (b)
Hình 1.5 Tính chiều dài truyền dẫn hiệu dụng. (a) Phân bố công suất đặc trưng dọc theo
chiều dài L của tuyến. Công suất đỉnh là Pin. (b) Phân bố công suất giả định dọc
theo tuyến đến độ dài hiệu dụng Leff. Chiều dài Leff được chọn sao cho diện tích
của vùng dưới đường cong trong (a) bằng diện tích của hình vuông trong (b).
Mô hình của ảnh hưởng này có thể rất phức tạp. Trong thực tế, có thể sử dụng một mô
hình đơn giản với giả thuyết năng lượng không thay đổi qua một độ dài hiệu dụng cố định Leff.
Giả sử Pin là công suất truyền trong sợi quang và P(z)=Pine-αz là công suất tại điểm z trên tuyến,
với α là hệ số suy hao. L được kí hiệu là chiều dài thực của tuyến. Chiều dài hiệu dụng của tuyến
được kí hiệu là Leff được định nghĩa như sau [1]:
L
Pin Leff = ∫ P( z )dz (1.1)
z =0
Do đó,
1 − e αL
Leff = (1.2)
α
Thường thì tuyến đủ dài do đó L >>1/α cho nên Leff ≈1/α. Chẳng hạn như α = 0.22 dB/km
tại λ = 1,55 µm và, ta có Leff ~ 20 km.
Ảnh hưởng của phi tuyến cũng tăng theo cường độ năng lượng trong sợi. Với một công
suất cho trước, cường độ tỉ lệ nghịch với diện tích lõi. Do năng lượng phân bố không đồng đều
theo mặt cắt ngang của sợi, do đó để thuận tiện khái niệm diện tích vùng lõi hiệu dụng Aeff
9
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
(effective cross-sectional area) thường được sử dụng (xem hình 1.6). Diện tích này liên quan đến
diện tích thực của lõi A và phân bố trên mặt cắt ngang của mốt cơ bản F(r,θ) như sau [1]:
Cường độ
Cường độ
Bán kính (Aeff/π)1/2 Bán kính
(a) (b)
Hình 1.6 Diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng. (a) Phân bố đặc trưng cường độ tín hiệu dọc
theo bán kính của sợi quang. (b) Phân bố cường độ giả định tương được với (a)
cho thấy cường độ khác không chỉ trong vùng Aeff xung quang tâm sợi quang
A =
[∫ ∫ F (r,θ ) rdrdθ ]
r θ
2 2
eff (1.3)
∫ ∫ F (r ,θ ) rdrdθ
4
r θ
với r và θ là tọa độ cực.
Thường có thể đánh giá giá trị Aeff thông qua công thức đơn giản hơn [2]
Aeff ≈ πw02 (1.4)
Với w0 là bán kính trường mốt.
Diện tích hiệu dụng như được định nghĩa ở trên có một ý nghĩa là sự phụ thuộc của hầu
hết các hiệu ứng phi tuyến có thể được biểu diễn bằng diện tích hiệu dụng đối với mốt cơ bản
truyền trong sợi quang cho trước. Chẳng hạn như cường độ hiệu dụng của một xung có thể được
tính Ieff = P/Aeff, với P là công suất xung, để tính toán ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến như
SPM được xem xét dưới đây. Diện tích hiệu dụng của SMF khoảng 85 µm2 và của DSF khoảng
50 µm2. Các sợi quang bù tán sắc có diện tích hiệu dụng nhỏ hơn và do đó có ảnh hưởng phi tuyến
lớn hơn.
1.2.2 Tán xạ do kích thích Brillouin
Trong trường hợp SBS, các phonon liên quan đến sự tác động tán xạ là các phonon âm
học và sự tương tác này xảy ra trên dải tần hẹp Δf = 20 MHz ở bước sóng 1550 nm. Sóng bơm và
sóng Stokes truyền theo hai hướng ngược nhau. Do đó, SBS không gây ra bất kỳ tác động qua lại
nào giữa các bước sóng khác nhau khi mà khoảng cách bước sóng lớn hơn 20 MHz (là trường hợp
đặc trưng cho WDM). Tuy nhiên, SBS cũng có thể tạo nên sự méo khá quan trọng trong một kênh
đơn lẻ. SBS tạo ra độ lợi theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu, nói cách khác là
hướng về phía nguồn. Vì vậy, nó làm suy giảm tín hiệu được truyền cũng như tạo ra một tín hiệu
10
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
có cường độ mạnh về hướng phát, nên phải dùng một bộ cách ly để bảo vệ. Hệ số độ lợi SBS gB
xấp xỉ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng.
Công suất ngưỡng cho SBS có thể tính bằng công thức sau [2]:
PthSBS=21Aeff/gBLeff (1.5)
Với gB là độ lợi của SBS. Như đã nói trong mục (2.3.1) Leff≈1/α nên
PthSBS=(21αAeff)/gB (1.6)
Gía trị đặc trưng của gB ≈ 5x10-11 m/W tại λ = 1550nm. Lấy α=0.046 1/km = 0.2dB/Km và
Aeff=55μm2, tính được PthSBS = 8mW cho một kênh.
Một cách khác để tính công suất ngưỡng này là [3]:
PthSBS=4.4x10-3d2λ2αΔf watts (1.7)
Với d: đường kính lõi sợi quang (μm)
λ: bước sóng hoạt động (μm)
α: hệ số suy hao (dB/Km)
Δf: độ rộng phổ của nguồn quang (GHz)
1.2.3 Tán xạ do kích thích Raman
Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì SRS gây
ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn
(xem hình 1.7). Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có bước sóng thấp sang kênh tín hiệu có
bước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang và laser. Năng lượng của
photon ở bước sóng λ là hc/λ với h là hằng số Planck (6.63x10-34 Js). Do đó, photon của bứơc
sóng thấp có năng lượng cao hơn. Sự chuyển năng lượng từ tín hiệu bước sóng thấp sang tín hiệu
bước sóng cao tương ứng với sự sinh ra các photon năng lượng thấp từ các photon năng lượng cao
hơn.
λ1λ2λ3λ4 Sợi quang λ1λ2λ3λ4
Hình 1.7 Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển sang
kênh bước sóng cao hơn.
Không giống như SBS, SRS là một hiệu ứng băng rộng. Hình 1.8 cho thấy độ lợi là một
hàm của khoảng cách bước sóng. Giá trị đỉnh của hệ số độ lợi gR xấp xỉ 6x10-14 m/W ở bước sóng
1550 nm nhỏ hơn nhiều so với độ lợi của SBS. Tuy nhiên, các kênh cách nhau đến 15 THz (125
nm) sẽ bị tác động của SRS. SRS gây ảnh hưởng trên cả hướng truyền và hướng ngược lại. Mặc
11
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
SRS giữa các kênh trong hệ thống WDM ảnh hưởng xấu cho hệ thống, SRS có thể được dùng để
khuếch đại hệ thống.
7
6
Hệ số độ lợi Raman (x10-14 m/W)
5
4
3
2
1
0 10 20 30 40
Khoảng cách kênh (THz)
Hình 1.8 Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh.
Công suất ngưỡng cho SRS có thể tính bằng công thức sau [2]:
PthSRS=16Aeff/gRLeff=(16αAeff)/gR (1.8)
Gía trị đặc trưng của gR ≈1x10-13 m/W tại λ = 1550nm. Lấy α = 0.046 1/km = 0.2dB/Km và
Aeff=55μm2, tính được PthSRS = 405mW cho một kênh. Con số này cho thấy có thể bỏ qua SRS
trong hệ thống đơn kênh
Một cách khác để tính công suất ngưỡng này là [3]:
PthSRS=5.9x10-2d2λα watts (1.9)
Với d: đường kính lõi sợi quang (μm)
λ: bước sóng hoạt động (μm)
α: hệ số suy hao (dB/Km)
1.2.4 Lan truyền trong môi trường phi tuyến
Theo [1,2] đối với môi trường tuyến tính, vector phân cực P có mối liên hệ với điện
trường tác động E như sau:
P (r, t ) = ε 0 χ e (r, t ) E (r, t ) (1.10)
12
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Với χe là độ cảm điện (electric susceptibility). Mối liên hệ giữa χe với chiết suất của môi trường n
có thể biểu diễn bằng:
n = 1 + χe (1.11)
Các hiệu ứng khúc xạ phi tuyến xảy ra là do sự phụ thuộc của độ cảm điện vào cường độ
điện trường E. Trong sợi quang, các hiện tượng phi tuyến có thể xem xét thông qua biểu thức gần
đúng sau:
P(r, t ) = PL (r, t ) + PNL (r, t ) = ε 0 χ e (r, t )E(r, t ) + ε 0 χ (e3) E 3 (r, t ) (1.12)
Số hạng thứ nhất trong công thức (1.12) là phân cực điện môi tuyến tính, còn số hạng thứ hai là
phân cực điện môi phi tuyến.
Chiết suất khúc xạ của môi trường sẽ là:
n(ω,E)=nL (ω)+nNLE2 (1.13)
Với ω là tần số góc của ánh sáng. Số hạng thứ nhất trong công thức (1.13) là chiết suất tuyến tính
và là nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu. Số hạng thứ hai thể hiện hiệu ứng phi tuyến bởi vì nó tỉ
lệ với cường độ ánh sáng I=0.5ε0cnE2. Hệ số khúc xạ phi tuyến:
nNL=3/8nχe(3) (1.14)
Có thể biểu diễn sự khúc xạ phi tuyến theo một cách khác:
n = nL (ω)+nNL(P/Aeff) (1.15)
Với P là công suất ánh sáng. Ðối với sợi quang silica, thường nNL=3.2x10-20 m2/W và Aeff≈55μm2.
Giả sử P=1mW thì nNL(P/Aeff) =5.8x10-9. Ðây là phần phi tuyến của chiết suất trong điều kiện
bình thường. Chiết suất của silica vào khoảng 1,45 cho nên rõ ràng trong trường hợp này các hiệu
ứng phi tuyến có thể bỏ qua.
Hằng số lan truyền pha β=ωn/c cũng phải phụ thuộc vào E2. Sự phụ thuộc này có thể biểu diễn
như sau:
β =ωnL/c + (3ω/8cn)χe(3)E2 (1.16)
Có thể biểu diễn hằng số pha phi tuyến theo một cách khác:
β = βL + γNLP (1.17)
Với βL là thành phần tuyến tính của hằng số lan truyền pha và γNL=(2π/λ)nNL/Aeff là hệ số lan
truyền pha phi tuyến. Giả sử nNL =3.2x10-20 m2/W, Aeff=55μm2, và λ=1550nm, khi đó
γNL=2.35x10-3 1/m.W. Lại giả sử P=1mW, phần phi tuyến trong hằng số lan truyền pha vào
khoảng 10-6. Lưu ý γNLP = (2π/λ)nNL(P/Aeff) vì vậy:
13
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
β = βL + (2π/λ)nNL(P/Aeff) (1.18)
1.2.5 Hiệu ứng tự điều pha SPM
Xét một hệ thống đơn kênh, ánh sáng như là sóng EM có dạng (chỉ xét phần thực):
E(z,t)=E0e-αzcos(ωt-βz)
β được tính theo công thức (1.16) nên sẽ có độ dịch pha bổ xung. Ðộ dịch pha này được tính
bằng:
L L
Φ = ∫ (β − β L )dz = ∫ γ NL P(z)dz =γ NL Pin L eff (1.19)
0 0
Có thể biểu diễn sự phụ thuộc này theo một cách khác:
Φ=(3ω/8cn)χe(3)E2Leff (1.20)
Dựa vào công thức (1.19) và (1.20) có thể giải thích cơ chế SPM như sau: Ðộ dịch pha phi
tuyến Φ của sóng mang quang thay đổi theo thời gian là do cường độ (công suất) của xung ánh
sáng thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi này là do sự thay đổi của công suất đầu vào Pin(t) và/hay
sự biến thiên theo thời gian của biên độ xung khi xung lan truyền dọc theo sợi quang. Do đó Φ trở
thành một hàm số theo thời gian Φ(t). Theo định nghĩa đạo hàm của độ dịch pha dΦ(t)/dt≠0 biểu
diễn sự thay đổi của tần số. Sự thay đổi tần số này được gọi là chirping. Bây giờ đã rõ vì sao hiệu
ứng này được gọi là tự điều pha: Ðiều chế này là sự thay đổi tần số xảy ra do sự dịch pha gây ra
bởi chính xung ánh sáng.
Trong tán sắc màu, các bước sóng khác nhau (các tần số) lan truyền theo các vận tốc khác
nhau. Như vậy xung mang các tần số khác nhau khi lan truyền sẽ giãn ra. Rõ ràng SPM gây ra
giãn xung thông qua tán sắc màu. Cần lưu ý một ưu điểm của SPM là: khi công suất lan truyền
cao, ở khoảng đầu sợi quang, SPM có thể nén xung. Tuy nhiên khi xung lan truyền xa hơn, xung
sẽ bị giãn nhiều hơn. Hiện tượng nén xung này có thể sử dụng để bù tán sắc.
Các hiệu ứng phi tuyến thường được đánh giá qua các giới hạn công suất cho hệ thống
thông tin. Ðể ảnh hưởng của SPM là tối thiểu, độ dịch pha phi tuyến phải rất nhỏ tức là Φ<<1.
Theo công thức (1.2) Leff ≈1/α cho nên Pin << α/γNL. Ví dụ α = 0,2dB/km tức α = 0,046 1/km và
γNL=2,35x10-3 1/m.W thì công suất đầu vào phải nhỏ hơn 19,6 mW.
1.2.6 Hiệu ứng điều chế xuyên pha
SPM là giới hạn phi tuyến chủ yếu trong hệ thống đơn kênh. Trong hệ thống đa kênh độ
dịch pha của một kênh, ví dụ như kênh thứ nhất Φ1, phụ thuộc không những vào cường độ (công
suất) của chính kênh đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của những kênh còn lại. Hiện tượng này
gọi là điều chế xuyên pha CPM. Ví dụ xem xét hệ thống ba kênh. Khi đó Φ1 sẽ là:
Φ1=γNLLeff(P1+2P2+2P3) (1.21)
14
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
CMP ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông qua cơ chế giống như SPM: tần số
chirping và tán sắc màu. CPM có thể ảnh hưởng đến hệ thống mạnh hơn SPM vì hệ số 2 trong
công thức (1.21).
1.2.7 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
Trong hệ thốngWDM sử dụng các tần số góc ω1….ωn, sự phụ thuộc của chiết suất vào
cường độ (công suất) không chỉ gây ra sự dịch pha trong mỗi kênh mà còn sinh ra tần số mới như
là 2ωi-ωj và ωi+ωj-ωk. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trộn bốn bước sóng (FWM_Four-wave
Mixing). Trái với SPM và CPM chỉ có ảnh hưởng đối với các hệ thống tốc độ bit cao, hiệu ứng
trộn bốn bước sóng không phụ thuộc vào tốc độ bit mà phụ thuộc chặt chẽ vào khoảng cách kênh
và tán sắc màu của sợi. Giảm khoảng cách kênh làm tăng ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước
sóng và việc giảm tán sắc màu cũng vậy. Do đó, các ảnh hưởng của FWM phải được xem xét
ngay cả ở các hệ thống tốc độ vừa phải khi khoảng cách kênh gần nhau và/hoặc khi sử dụng sợi
dịch chuyển tán sắc.
Ðể hiểu các ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng, ta xét một tín hiệu WDM là tổng
của n sóng phẳng đơn sắc. Trường điện của tín hiệu này có thể được viết một cách đơn giản:
n
E (r , t ) = ∑ Ei cos(ωi t − β i z )
i =1
Theo công thức (1.12), phân cực điện môi phi tuyến có thể được viết
n n n
PNL ( r , t ) = ε 0 χ (e3) ∑ ∑ ∑ E i cos( ω i t − β i z )E j cos( ω j t − β j z ) E k cos( ω k t − β k z )
i =1 j=1 k =1
3ε 0 χ (e3) n ⎛ 2 ⎞
=
4
∑ ⎜ E i + 2∑ E i E j ⎟E i cos( ω i t − β i z )
⎜
i =1 ⎝
⎟ (1.22)
j≠ i ⎠
ε 0 χ (e3) n
∑
3
+ E i cos(3ω i t − 3β i z ) (1.23)
4 i =1
3ε 0 χ (e3 ) n
∑ ∑
2
+ E i E j cos(( 2 ω i − ω j ) t − ( 2β i − β j ) z ) (1.24)
4 i =1 j≠ i
3ε 0 χ (e3) n
∑∑
2
+ E i E j cos((2ωi + ω j ) t − (2β i + β j )z) (1.25)
4 i =1 j≠ i
6ε 0 χ (e3) n
+
4
∑∑∑
i =1 j> i k > j
E i E jE k ×
(
× cos((ωi + ω j + ωk ) t − (β i + β j + β k )z) (1.26)
+ cos((ωi + ω j − ω k ) t − (β i + β j − β k )z) (1.27)
+ cos((ωi − ω j + ω k ) t − (β i − β j + β k )z) (1.28)
+ cos((ωi − ω j − ωk ) t − (β i − β j − β k )z) ) (1.29)
15
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Như vậy, độ cảm điện phi tuyến của sợi quang tạo ra các trường mới (các sóng mới) ở tần
số ωi±ωj±ωk (ωi, ωj, ωk có thể giống nhau). Hiện tượng này gọi là hiệu ứng trộn bốn bước sóng.
Nguyên nhân là do các tần số ωi, ωj, ωk tổ hợp với nhau tạo ra bước sóng thứ tư ở tần số
ωi±ωj±ωk. Ðối với khoảng cách tần số bằng nhau và một sự lựa chọn i, j, k nào đó, bước sóng thứ
tư ảnh hưởng đến ωi. Ví dụ, cho khoảng cách tần số Δω với ω1, ω2, ω3 là các tần số liên tiếp,
nghĩa là ω2= ω1+ Δω và ω3= ω1 + 2Δω sẽ có ω1-ω2+ω3 = ω2 và 2ω2-ω1=ω3.
Biểu thức (1.22) cho thấy ảnh hưởng của SPM và CPM mà ta đã đề cập đến trong mục
1.2.5 và 1.2.6, các biểu thức (1.23), (1.24) và (1.25) có thể bỏ qua do không có sự đồng pha. Dưới
các điều kiện thích hợp, có thể để thỏa mãn điều kiện đồng pha đối với các biểu thức còn lại, đó là
tất cả các dạng ωi+ωj-ωk, i,j ≠k (ωi, ωj có thể giống nhau). Chẳng hạn, nếu các bước sóng trong hệ
thống WDM là gần nhau hoặc phân bổ gần vùng tán sắc không của sợi, thì β gần như là không đổi
trên các tần số này và điều kiện đồng pha gần như là được thỏa mãn. Khi các điều kiện này thỏa
mãn, công suất của các tần số mới được tạo ra có thể phải quan tâm đến.
Có thể xác định giá trị của hiệu ứng trộn bốn bước sóng dạng ωi+ωj-ωk, i,j ≠k đơn giản
như sau.
Ðịnh nghĩa ωijk=ωi+ωj-ωk, và hệ số suy biến (Degeneracy Factor)
⎧3, i = j
d ijk = ⎨
⎩6, i ≠ j
Phân cực điện môi phi tuyến tại ωijk có thể được viết
ε 0 χ e(3)
PNLijk ( z , t ) = d ijk Ei E j E k cos((ωi + ω j − ω k )t − ( β i + β j − β k ) z ) (1.30)
4
Giả sử rằng các tín hiệu quang lan truyền như các sóng phẳng qua diện tích lõi hiệu dụng
Aeff trong sợi (xem hình 1.6), theo (1.25) có thể biểu diễn công suất của tín hiệu ở tần số ωijk sau
khi lan truyền qua khoảng cách L trong sợi là
2
⎛ ω ijk d ijk χ e( 3) ⎞
Pijk = ⎜ ⎟ P P P L2
⎜ 8 Aeff neff c ⎟ i j k
⎝ ⎠
Ở đây, Pi, Pj, Pk là các công suất ngõ vào tại các tần số ωi, ωj, ωk. Chú ý rằng chiết suất n
được thay thế bởi chiết suất hiệu dụng neff của mốt cơ sở. Sử dụng chiết suất phi tuyến nNL, có thể
viết
2
⎛ ωijk n NL d ijk ⎞
Pijk = ⎜ ⎟ Pi Pj Pk L2 (1.31)
⎜ 3cA ⎟
⎝ eff ⎠
Hãy xem xét một số ví dụ cụ thể. Giả sử rằng mỗi tín hiệu quang ở các tần số ωi, ωj, ωk có
công suất 1mW và diện tích lõi hiệu dụng của sợi quang là Aeff=50μm2. Cũng giả sử ωi ≠ ωj, để
dijk=6. Sử dụng nNL= 3.0x10-8μm2/W, khoảng cách lan truyền L = 20 km. Công suất Pijk của tín
hiệu ở tần số góc ωijk sinh ra do hiệu ứng trộn bốn bước sóng khoảng 9.5μW. Giá trị này chỉ thấp
hơn công suất của tín hiệu 1mW khoảng 20 dB. Trong hệ thống WDM, nếu có kênh khác cũng ở
tần số ωijk, hiệu ứng trộn bốn bước sóng có thể gây nhiễu kênh này.
16
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Thực tế, các tín hiệu tạo bởi hiệu ứng trộn bốn bước sóng có năng lượng thấp do không có
sự đồng pha hoàn toàn và suy giảm suy hao sợi.
1.3 CÁC LINH KIỆN TRONG KIỆN TRONG HỆ THỐNG WDM
Các linh kiện được sử dụng trong các mạng quang hiện đại bao gồm các bộ ghép/tách
(couplers), bộ phát laser (lasers), bộ tách quang (photodetectors), bộ khuếch đại quang (optical
amplifiers), bộ chuyển mạch quang (optical switches), bộ lọc (filters) và bộ ghép/tách kênh
(multiplexers). Mục này sẽ tập trung xem xét nguyên lý hoạt động của các linh kiện nêu trên. Ðối
với mỗi linh kiện trước tiên sẽ đưa ra mô hình mô tả đơn giản sau đó là các mô hình toán học chi
tiết. Bạn đọc có thể bỏ qua phần mô tả toán học nếu thấy chưa cần thiết để tham khảo. Riêng bộ
khuếch đại quang sẽ được xem xét riêng ở chương 2. Phần này cũng không trình bày bộ phát
laser. Bạn đọc có thể tìm hiểu bộ phát laser trong “Hệ thống thông tin quang I”.
1.3.1 Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)
a) Định nghĩa
Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến
từ các sợi quang khác nhau. Nếu coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta
gọi là coupler có hướng (directional coupler). Nếu nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là
coupler song hướng (bidirectional coupler).
Coupler thông dụng nhất là coupler FBT (Fused Binconical Taper). Coupler này được chế
tạo bằng cách đặt 2 sợi quang cạnh nhau, sau đó vừa nung chảy để chúng kết hợp với nhau vừa
kéo dãn ra để tạo thành một vùng ghép (coupling region). Một coupler 2 x 2 đặc trưng bởi tỉ số
ghép α (0<α<1). α là tỉ lệ công suất ánh sáng ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng công suất ánh
sáng vào ngõ vào 1. Phần tỉ lệ 1-α công suất ánh sáng còn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến
ngõ ra 2. Hình 1.9 là một coupler FBT 2 x 2 có hướng.
Sôïi quang
Ñaàu vaøo 1 Ñaàu ra 1
Vuøng gheùp
Ñaàu vaøo 2
l Ñaàu ra 2
Chieàu daøi gheùp
Hình 1.9 Cấu tạo coupler FBT 2 x 2
Coupler có thể là chọn lựa bước sóng (wavelength selective) hay không phụ thuộc vào
bước sóng, tương ứng với α phụ thuộc hay không phụ thuộc vào bước sóng.
Trường hợp α=1/2, coupler được dùng để chia công suất tín hiệu ngõ vào thành hai phần
bằng nhau ở hai ngõ ra. Coupler trong trường hợp này được gọi là coupler 3 dB.
Coupler hình sao nxn có thể được tạo bằng cách kết nối các coupler 3dB như trên hình
1.10.
17
KỸ THUẬT
THÔNG TIN QUANG 2
(Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa)
Lưu hành nội bộ
HÀ NỘI - 2007
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KỸ THUẬT
THÔNG TIN QUANG 2
Biên soạn: THS. ĐỖ VĂN VIỆT EM
LỜI GIỚI THIỆU
Thế kỷ 21 là thế kỷ của công nghệ thông tin. Sự bùng nổ của các loại hình dịch vụ thông
tin, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Web làm gia tăng không
ngừng nhu cầu về dung lượng mạng. Ðiều này đòi hỏi phải xây dựng và phát triển các mạng
quang mới dung lượng cao. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM) là một giải
pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn của sợi quang, nâng cao rõ rệt
dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm. Sự phát triển của hệ thống WDM cùng
với công nghệ chuyển mạch quang sẽ tạo nên một mạng thông tin thế hệ mới-mạng thông tin toàn
quang. Trong mạng toàn quang này, giao thức IP- giao thức chuẩn cho mạng viễn thông thế hệ
sau (NGN) sẽ được tích hợp với WDM. Sự tích hợp này sẽ tạo ra một kết cấu mạng trực tiếp nhất,
đơn giản nhất, kinh tế nhất rất thích hợp sử dụng cho cả mạng đường trục và mạng đô thị
Cấu trúc của Bài giảngbao gồm bốn chương:
Chương I: Hệ thống thông tin quang WDM. Chương này trình bày các nguyên lý cơ bản
của DWDM, khảo sát chi tiết các hiện tượng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ
thống WDM, và các linh kiện được sử dụng cho hệ thống WDM.
Chương II: Khuếch đại quang. Chương này tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại
khuếch đại quang, tính năng và các ứng dụng của chúng trong mạng truyền dẫn quang
Chương III: Truyền tải IP/WDM. Chương này nghiên cứu về xu hướng tích hợp IP trên
WDM, đặc biệt quan tâm đến vấn đề định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM.
Chương IV: Hệ thống thông tin quang Coherent. Chương này tìm hiểu các nguyên lý cơ
bản của hệ thống coherent, những ưu điểm của nó so với hệ thống IM/DD và triển vọng
của công nghệ này trong tương lai.
Bài giảng được biên soạn nhằm phục vụ cho các lớp thuộc hệ Đại học từ xa của Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Ngoài ra Bài giảng cũng có thể sử dụng để làm tài liệu tham
khảo cho các sinh viên và kỹ sư chuyên ngành viễn thông.
Do khuôn khổ giới hạn cũng như tính ứng dụng thực tế của tài liệu, các mô hình toán học
được trình bày trong Bài giảng này đôi khi chỉ là các kết qủa cuối cùng và được giải thích, minh
họa bằng các ý nghĩa vật lý cụ thể. Ðể hiểu thêm về việc dẫn xuất và chứng minh các kết quả
này, bạn đọc có thể đọc thêm các tài liệu tham khảo.
Do tính chất phức tạp cũng như sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, Bài giảng “Hệ
thống thông tin quang II” không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi xin chân thành cám ơn
tất cả các ý kiến đóng góp của các bạn đọc để hoàn thiện hơn Bài giảng này.
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
i
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM
GIỚI THIỆU
Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta chứng kiến nhiều sự thay đổi quan trọng trong nền công
nghiệp viễn thông có ảnh hưởng to lớn đến cuộc sống của chúng ta. Có nhiều nguyên nhân gây ra
sự thay đổi này:
Trước hết đó là sự gia tăng liên tục về dung lượng mạng. Nhân tố chính cho sự gia tăng này là
sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Web. Bên cạnh đó là việc các nhà kinh
doanh ngày nay dựa vào các mạng tốc độ cao để thực hiện việc kinh doanh của mình. Những
mạng này được dùng để kết nối các văn phòng trong một công ty cũng như giữa các công ty
cho việc giao dịch thương mại. Ngoài ra còn có một sự tương quan lớn giữa việc gia tăng nhu
cầu và giá thành băng thông của mạng. Các công nghệ tiên tiến đã thành công trong việc giảm
liên tục giá thành của băng thông. Việc giảm giá thành của băng thông này lại làm thúc đẩy sự
phát triển của nhiều ứng dụng mới sử dụng nhiều băng thông và mô hình sử dụng hiệu quả
hơn. Chu kỳ hồi tiếp dương này cho thấy không có dấu hiệu giảm bớt trong một tương lai gần.
Bãi bỏ và phá vỡ sự độc quyền trong lĩnh vực viễn thông. Sự bãi bỏ sự độc quyền này đã kích
thích sự cạnh tranh trong thị trường, điều này dẫn đến kết quả là giảm giá thành cho những
người sử dụng và triển khai nhanh hơn những kỹ thuật và dịch vụ mới
Sự thay đổi quan trọng trong thể loại lưu lượng chiếm ưu thế trong mạng. Ngược lại với lưu
lượng thoại truyền thống, nhiều nhu cầu mới dựa trên dữ liệu ngày càng phát triển. Tuy nhiên
nhiều mạng hiện nay đã được xây dựng chỉ để hỗ trợ hiệu quả cho lưu lượng thoại, không
phải là dữ liệu. Việc thay đổi này là nguyên nhân thúc đẩy những nhà cung cấp dịch vụ kiểm
tra lại cách thức mà họ xây dựng nên mạng, kiểu dịch vụ phân phối và trong nhiều trường hợp
ngay cả mô hình kinh doanh toàn thể của họ.
Những nhân tố này đã dẫn đến sự phát triển của mạng quang dung lượng cao. Công nghệ để
đáp ứng việc xây dựng các mạng quang dung lượng cao này là công nghệ ghép kênh theo bước
sóng DWDM. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin quang WDM, cụ thể
sẽ nghiên cứu:
- Nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng quang (WDM).
- Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM do sự lan truyền của tín
hiệu WDM trong sợi quang, trong đó tập trung vào việc tìm hiểu các hiện ứng phi
tuyến.
- Các linh kiện, phần tử trong mạng WDM.
- Mô hình mạng WDM bao gồm các phần tử mạng, tôpô vật lý, tôpô logic, và các kỹ
thuật chuyển mạch bảo vệ
1
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
1.1 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG (WDM)
1.1.1 Giới thiệu chung
Sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là Internet đã làm bùng
nổ nhu cầu tăng băng thông (xem hình 1.1). Trong bối cảnh IP (Internet Protocol) đang nổi lên
như là nền tảng chung của mọi loại hình dịch vụ trong tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền
dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền
thoại nhưng lại kém hiệu quả trong việc tận dụng băng thông.
Löu löôïng
250 Döõ lieäu
200
150
100 Thoaïi
50
1996 1997 1998 1999 2000 2001 Naêm
Hình 1.1 Tương quan giữa nhu cầu truyền thoại và truyền số liệu
Tóm lại, ta phải giải quyết bài toán tăng băng thông cho viễn thông tương lai. Các nhà
cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến ba phương thức truyền dẫn sau:
Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing): đơn giản và
không cần sự phát triển công nghệ, chỉ đơn thuần là tăng số lượng sợi quang, tốc độ
truyền dẫn vẫn giữ nguyên. Ta có thể chọn SDM nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng
thông đã có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng và khoảng cách tuyến truyền dẫn là đủ
ngắn để không cần dùng các bộ lặp, bộ khuếch đại. Nếu khoảng cách là xa, khi đó chi phí
sẽ vụt tăng do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuyếch đại... như
hệ thống cũ.
Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM (Time Devision Multiplexing): tăng tốc độ
truyền dẫn lên trên sợi quang. Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, ta phải
xem xét đến hai vấn đề: trước và khi truyền trên sợi quang. Trước khi chuyển thành tín
hiệu quang để truyền đi, các linh kiện điện tử có khả năng xử lí với tốc độ bit tối đa là bao
nhiêu? Thực tế hiện nay cho thấy, ở đa số các mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả
năng đáp ứng tốt đối với các dòng tín hiệu ở tốc độ 2.5 Gbps hoặc 10 Gbps. Như vậy thì
chưa giải quyết trọn vẹn bài toán tăng băng thông. Trong phòng thí nghiệm đã cho các
linh kiện hoạt động ở tốc độ 40 Gbps hoặc 80 Gbps. Ðể TDM có thể đạt được những tốc
độ cao hơn, các phương pháp thực hiện tách/ghép kênh trong miền quang, được gọi là
phân kênh thời gian trong miền quang (Optical time Division Multiplexing - OTDM)
đang được tích cực triển khai. Các kết qủa nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy
2
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
OTDM có thể ghép được các luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s. Nhưng khi đó, truyền
trên sợi quang sẽ vấp phải các vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn:
tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính.
Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép
thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền
dẫn trên một bước sóng. Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất
trong điều kiện công nghệ hiện tại. Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện
điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại. Thay vào đó, công
nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong
khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều
băng sóng hoạt động như minh hoạ trên bảng 1.1. Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở
băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này). Về sau, EDFA có khả năng
hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt
động ở cả băng C và băng L. Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước
sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ
hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên
tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông
truyền trên một sợi quang lên 64 lần !
Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng
Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng (nm)
Băng O Original 1260 đến 1360
Băng E Extended 1360 đến 1460
Băng S Short 1460 đến 1530
Băng C Conventional 1530 đến 1565
Băng L Long 1565 đến 1625
Băng U Ultra-long 1625 đến 1675
1.1.2 Sơ đồ khối tổng quát
a) Ðịnh nghĩa
Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ
“trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát, nhiều tín
hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang.
Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào
các đầu cuối khác nhau.
b) Sơ đồ chức năng
Như minh hoạ trên hình 1.2, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi
quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:
Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser. Hiện tại đã có
một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa
bước sóng (Multiwavelength Laser)... Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ
3
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm,
độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép.
Tx1 Rx1
Tx2 Rx2
DE
MUX Truyeàn tín hieäu treân sôïi quang MUX
EDFA EDFA
TxN Khueách ñaïi tín hieäu Khueách ñaïi tín hieäu RxN
Phaùt tín hieäu Thu tín hieäu
Gheùp tín hieäu Taùch tín hieäu
Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành
một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là
sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi
cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng
mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc
Fabry-Perot... Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng
cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của
kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản
xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa...
Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của
nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến
khuếch đại tín hiệu ... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang
(loại sợi quang, chất lượng sợi...) mà ta sẽ xét cụ thể trong phần 1.2.
Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi
EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng
đã được sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại
đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm
bảo các yêu cầu sau:
- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không
quá 1 dB).
- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức
công suất đầu ra của các kênh.
- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ
số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các
kênh.
Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang
như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.
4
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
c) Phân loại hệ thống WDM
Tx1 λ1, λ 2, λ3,..., λN
Rx1
Tx2 Rx2
MUX DE
λ1, λ 2, λ3,..., λN MUX
EDFA EDFA
TxN
Heä thoáng WDM ñôn höôùng RxN
Tx1 Rx1
λ1, λ 2, λ3,..., λi
Tx2 Rx2
DE
MUX λ (i + 1), λ (i + 2),..., λN
MUX
EDFA EDFA
TxN
Heä thoáng WDM song höôùng RxN
Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như
minh hoạ trên hình 1.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để
truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền
hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ
cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:
Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so
với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song
hướng.
Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ
tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng
nhận biết sự cố một cách tức thời.
Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét
thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang,
đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng
chung một bước sóng.
Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ
thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng
giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất
quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.
1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM
Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của công
nghệ WDM như sau:
5
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Ưu điểm của công nghệ WDM:
- Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được ghép vào để
truyền trên một sợi quang.
- Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ
trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, chuyển mạch
kênh, IP ...
- Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông
truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở nhiều cấp
độ khác nhau.
- Hiện tại, chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng truyền
tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình
dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động ...
Nhược điểm của công nghệ WDM:
- Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụng được
băng C và băng L).
- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.
- Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai
WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng khá gay gắt.
1.1.4 Lưới ITU
Việc chuẩn hoá các bộ bước sóng dùng cho các mạng WDM là hết sức cần thiết vì nó bảo
đảm cho các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau đều được sản xuất theo cùng một tiêu chuẩn,
và đều làm việc tương thích với nhau.
Khi chuẩn hoá bước sóng, vấn đề cần phải xem xét đầu tiên là là khoảng cách giữa các
kênh phải dựa theo tần số hay bước sóng. Khoảng cách tần số bằng nhau sẽ làm cho khoảng cách
bước sóng hơi khác nhau. Không có một tiêu chuẩn kỹ thuật nào được ưu tiên để lựa chọn trong
trường hợp này. Trong khuyến cáo ITU-G.692 các kênh cách nhau một khoảng 50 GHz (tương
đương với khoảng cách bước sóng là 0.4nm) với tần số trung tâm danh định là 193.1THz
(1552.52 nm). Tần số này ỡ giữa dải thông của sợi quang 1.55μm và bộ khuếch đại quang sợi
EDFA (xem hình 1.4). Khoảng cách này phù hợp với khả năng phân giải của các bộ
MUX/DEMUX hiện nay, độ ổn định tần số của các bộ laser, MUX/DEMUX,... Khi công nghệ
hoàn thiện hơn khoảng cách này sẽ phải giảm đi.
Một vấn đề khác, khó khăn hơn là chọn lựa một bộ bước sóng tiêu chuẩn bảo đảm cho các
hệ thống cho 4, 8, 16, và 32 bước sóng hoạt động tương thích với nhau bởi vì các nhà sản xuất
đều có các cấu hình kênh tối ưu riêng và các kế hoạch nâng cấp hệ thống từ ít kênh lên nhiều kênh
khác nhau. ITU đã chuẩn hoá (ITU G.959) bộ 16 bước sóng bắt đầu từ tần số 192.1 THz, rộng
200GHz mỗi bên cho giao diện đa kênh giữa các thiết bị WDM.
Cuối cùng là phải lưu ý không chỉ bảo bảo đảm các tần số trung tâm mà còn phải bảo đảm
độ lệch tần số tối đa cho phép. Đối với Δf ≥ 200 GHz, ITU quy định độ lệch tần số là không vượt
6
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
quá ±Δf /5 GHz. Với Δf =50 GHz và Δf =100 GHz thì đến thới điểm này ITU vẫn chưa chuẩn
hoá.
Hình 1.4 Lưới bước sóng theo ITU
1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ
THỐNG WDM
Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin
quang, bao gồm:
- Suy hao
- Tán sắc
- Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.
Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng
khác nhau. Ví dụ:
Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là
suy hao.
Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm
là suy hao và tán sắc.
Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải
xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến.
Hiện tượng suy hao và tán sắc đã được trình bày chi tiết trong bài giảng “ Hệ thống thông tin
quang 1”.Trong phần này sẽ tập trung trình bày về các hiện tương phi tuyến.
1.2.1 Tổng quan về các hiệu ứng phi tuyến
a) Định nghĩa
Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường độ
ánh sáng (công suất). Các hiện tượng phi tuyến có thể bỏ qua đối với các hệ thống thông tin
quang hoạt động ở mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps. Tuy nhiên,
ở tốc độ bit cao hơn như 10 Gbps và cao hơn và/hay ở mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét các
7
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
hiệu ứng phi tuyến là rất quan trọng. Trong các hệ thống WDM, các hiệu ứng phi tuyến có thể trở
nên quan trọng thậm chí ở công suất và tốc độ bit vừa phải.
Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm 2 loại. Loại thứ nhất phát sinh do tác động qua
lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi trường silica- một trong
nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là tán xạ Rayleigh. Hai hiệu ứng chính trong
loại này là tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS).
Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ
lệ với bình phương biên độ điện trường. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng trong loại này là hiệu
ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều chế xuyên pha (CPM - Cross-
Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM - Four-Wave Mixing). Loại hiệu ứng này
được gọi là hiệu ứng Kerr.
Trong các hiệu ứng tán xạ phi tuyến, năng lượng từ một sóng ánh sáng được chuyển sang
một sóng ánh sáng khác có bước sóng dài hơn (hoặc năng lượng thấp hơn). Năng lượng mất đi bị
hấp thụ bởi các dao động phân tử hoặc các phonon (loại phonon liên quan đến sự khác nhau giữa
SBS và SRS). Sóng thứ hai được gọi là sóng Stokes. Sóng thứ nhất có thể gọi là sóng bơm
(Pump) gây ra sự khuếch đại sóng Stokes. Khi sóng bơm truyền trong sợi quang, nó bị mất năng
lượng và sóng Stokes nhận thêm năng lượng. Trong trường hợp SBS, sóng bơm là sóng tín hiệu
và sóng Stokes là sóng không mong muốn được tạo ra do quá trình tán xạ. Trong trường hợp SRS,
sóng bơm là sóng có năng lượng cao và sóng Stokes là sóng tín hiệu được khuếch đại từ sóng
bơm.
Nói chung, các hiệu ứng tán xạ được đặc trưng bởi hệ số độ lợi g, được đo bằng m/w
(meters per watt) và độ rộng phổ Δf (đối với độ lợi tương ứng) và công suất ngưỡng Pth của ánh
sáng tới - mức công suất mà tại đó suy hao do tán xạ là 3 dB, tức là một nửa công suất trên toàn
bộ độ dài sợi quang. Hệ số độ lợi là một đại lượng chỉ cường độ của hiệu ứng phi tuyến.
Trong trường hợp tự điều pha SPM, các xung truyền bị hiện tượng chirp (tần số xung
truyền đi thay đổi theo thời gian). Ðiều này làm cho hệ số chirp (chirped factor) trở nên đáng kể ở
các mức năng lượng cao. Sự có mặt của hiện tượng chirp làm cho hiệu ứng giãn xung do tán sắc
màu tăng lên. Do vậy, chirp xảy ra do SPM (SPM induced chirp) có thể gây tăng độ giãn xung do
tán sắc màu trong hệ thống. Ðối với các hệ thống tốc độ bit cao, chirp do SPM có thể làm tăng
một cách đáng kể độ giãn xung do tán sắc màu thậm chí ở các mức công suất vừa phải. Ảnh
hưởng của SPM không chỉ phụ thuộc vào dấu tham số GVD (Group Velocity Dispersion) mà còn
phụ thuộc vào chiều dài của hệ thống.
Trong hệ thống WDM đa kênh, chirp xảy ra trong một kênh phụ thuộc vào sự thay đổi
chiết suất theo cường độ của các kênh khác. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điều chế xuyên
pha (CPM - Cross-Phase Modulation). Khi xem xét hiện tượng chirp trong một kênh do sự thay
đổi chiết suất theo cường độ của chính kênh đó, ta gọi là hiệu ứng này SPM.
Trong các hệ thống WDM, một hiệu ứng quan trọng khác đó là hiệu ứng trộn bốn bước
sóng. Nếu hệ thống WDM bao gồm các tần số f1, f2,…,fn, hiệu ứng trộn bốn bước sóng sinh ra
các tín hiệu tại các tần số như là 2fi - fj, và fi + fj - fk. Các tín hiệu mới này gây ra xuyên kênh
(crosstalk) với các tín hiệu có sẵn hệ thống. Xuyên kênh này ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng khi
khoảng cách giữa các kênh hẹp. Việc giảm tán sắc màu làm tăng xuyên kênh gây ra bởi hiệu ứng
8
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
trộn bốn bước sóng. Vì vậy, hệ thống sử dụng sợi quang dịch chuyển tán sắc chịu ảnh hưởng của
hiệu ứng trộn bốn bước sóng nhiều hơn là hệ thống sử dụng sợi đơn mốt.
b) Chiều dài và diện tích hiệu dụng
Sự tác động phi tuyến phụ thuộc vào cự ly truyền dẫn và mặt cắt ngang của sợi quang.
Tuyến càng dài, sự tác động qua lại giữa ánh sáng và vật liệu sợi quang càng lớn và ảnh hưởng
của phi tuyến càng xấu. Tuy nhiên, khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang, công suất của tín hiệu
giảm đi do suy hao của sợi quang. Vì vậy, hầu hết các hiệu ứng phi tuyến xảy ra ngay trong
khoảng đầu của sợi quang và giảm đi khi tín hiệu lan truyền.
Pin Pin
Công suất
Công suất
Chiều dài tuyến L Leff Chiều dài tuyến
(a) (b)
Hình 1.5 Tính chiều dài truyền dẫn hiệu dụng. (a) Phân bố công suất đặc trưng dọc theo
chiều dài L của tuyến. Công suất đỉnh là Pin. (b) Phân bố công suất giả định dọc
theo tuyến đến độ dài hiệu dụng Leff. Chiều dài Leff được chọn sao cho diện tích
của vùng dưới đường cong trong (a) bằng diện tích của hình vuông trong (b).
Mô hình của ảnh hưởng này có thể rất phức tạp. Trong thực tế, có thể sử dụng một mô
hình đơn giản với giả thuyết năng lượng không thay đổi qua một độ dài hiệu dụng cố định Leff.
Giả sử Pin là công suất truyền trong sợi quang và P(z)=Pine-αz là công suất tại điểm z trên tuyến,
với α là hệ số suy hao. L được kí hiệu là chiều dài thực của tuyến. Chiều dài hiệu dụng của tuyến
được kí hiệu là Leff được định nghĩa như sau [1]:
L
Pin Leff = ∫ P( z )dz (1.1)
z =0
Do đó,
1 − e αL
Leff = (1.2)
α
Thường thì tuyến đủ dài do đó L >>1/α cho nên Leff ≈1/α. Chẳng hạn như α = 0.22 dB/km
tại λ = 1,55 µm và, ta có Leff ~ 20 km.
Ảnh hưởng của phi tuyến cũng tăng theo cường độ năng lượng trong sợi. Với một công
suất cho trước, cường độ tỉ lệ nghịch với diện tích lõi. Do năng lượng phân bố không đồng đều
theo mặt cắt ngang của sợi, do đó để thuận tiện khái niệm diện tích vùng lõi hiệu dụng Aeff
9
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
(effective cross-sectional area) thường được sử dụng (xem hình 1.6). Diện tích này liên quan đến
diện tích thực của lõi A và phân bố trên mặt cắt ngang của mốt cơ bản F(r,θ) như sau [1]:
Cường độ
Cường độ
Bán kính (Aeff/π)1/2 Bán kính
(a) (b)
Hình 1.6 Diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng. (a) Phân bố đặc trưng cường độ tín hiệu dọc
theo bán kính của sợi quang. (b) Phân bố cường độ giả định tương được với (a)
cho thấy cường độ khác không chỉ trong vùng Aeff xung quang tâm sợi quang
A =
[∫ ∫ F (r,θ ) rdrdθ ]
r θ
2 2
eff (1.3)
∫ ∫ F (r ,θ ) rdrdθ
4
r θ
với r và θ là tọa độ cực.
Thường có thể đánh giá giá trị Aeff thông qua công thức đơn giản hơn [2]
Aeff ≈ πw02 (1.4)
Với w0 là bán kính trường mốt.
Diện tích hiệu dụng như được định nghĩa ở trên có một ý nghĩa là sự phụ thuộc của hầu
hết các hiệu ứng phi tuyến có thể được biểu diễn bằng diện tích hiệu dụng đối với mốt cơ bản
truyền trong sợi quang cho trước. Chẳng hạn như cường độ hiệu dụng của một xung có thể được
tính Ieff = P/Aeff, với P là công suất xung, để tính toán ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến như
SPM được xem xét dưới đây. Diện tích hiệu dụng của SMF khoảng 85 µm2 và của DSF khoảng
50 µm2. Các sợi quang bù tán sắc có diện tích hiệu dụng nhỏ hơn và do đó có ảnh hưởng phi tuyến
lớn hơn.
1.2.2 Tán xạ do kích thích Brillouin
Trong trường hợp SBS, các phonon liên quan đến sự tác động tán xạ là các phonon âm
học và sự tương tác này xảy ra trên dải tần hẹp Δf = 20 MHz ở bước sóng 1550 nm. Sóng bơm và
sóng Stokes truyền theo hai hướng ngược nhau. Do đó, SBS không gây ra bất kỳ tác động qua lại
nào giữa các bước sóng khác nhau khi mà khoảng cách bước sóng lớn hơn 20 MHz (là trường hợp
đặc trưng cho WDM). Tuy nhiên, SBS cũng có thể tạo nên sự méo khá quan trọng trong một kênh
đơn lẻ. SBS tạo ra độ lợi theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu, nói cách khác là
hướng về phía nguồn. Vì vậy, nó làm suy giảm tín hiệu được truyền cũng như tạo ra một tín hiệu
10
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
có cường độ mạnh về hướng phát, nên phải dùng một bộ cách ly để bảo vệ. Hệ số độ lợi SBS gB
xấp xỉ 4x10-11 m/W, không phụ thuộc vào bước sóng.
Công suất ngưỡng cho SBS có thể tính bằng công thức sau [2]:
PthSBS=21Aeff/gBLeff (1.5)
Với gB là độ lợi của SBS. Như đã nói trong mục (2.3.1) Leff≈1/α nên
PthSBS=(21αAeff)/gB (1.6)
Gía trị đặc trưng của gB ≈ 5x10-11 m/W tại λ = 1550nm. Lấy α=0.046 1/km = 0.2dB/Km và
Aeff=55μm2, tính được PthSBS = 8mW cho một kênh.
Một cách khác để tính công suất ngưỡng này là [3]:
PthSBS=4.4x10-3d2λ2αΔf watts (1.7)
Với d: đường kính lõi sợi quang (μm)
λ: bước sóng hoạt động (μm)
α: hệ số suy hao (dB/Km)
Δf: độ rộng phổ của nguồn quang (GHz)
1.2.3 Tán xạ do kích thích Raman
Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì SRS gây
ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có bước sóng cao hơn
(xem hình 1.7). Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có bước sóng thấp sang kênh tín hiệu có
bước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho khuếch đại quang và laser. Năng lượng của
photon ở bước sóng λ là hc/λ với h là hằng số Planck (6.63x10-34 Js). Do đó, photon của bứơc
sóng thấp có năng lượng cao hơn. Sự chuyển năng lượng từ tín hiệu bước sóng thấp sang tín hiệu
bước sóng cao tương ứng với sự sinh ra các photon năng lượng thấp từ các photon năng lượng cao
hơn.
λ1λ2λ3λ4 Sợi quang λ1λ2λ3λ4
Hình 1.7 Ảnh hưởng của SRS. Năng lượng từ kênh bước sóng thấp được chuyển sang
kênh bước sóng cao hơn.
Không giống như SBS, SRS là một hiệu ứng băng rộng. Hình 1.8 cho thấy độ lợi là một
hàm của khoảng cách bước sóng. Giá trị đỉnh của hệ số độ lợi gR xấp xỉ 6x10-14 m/W ở bước sóng
1550 nm nhỏ hơn nhiều so với độ lợi của SBS. Tuy nhiên, các kênh cách nhau đến 15 THz (125
nm) sẽ bị tác động của SRS. SRS gây ảnh hưởng trên cả hướng truyền và hướng ngược lại. Mặc
11
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
SRS giữa các kênh trong hệ thống WDM ảnh hưởng xấu cho hệ thống, SRS có thể được dùng để
khuếch đại hệ thống.
7
6
Hệ số độ lợi Raman (x10-14 m/W)
5
4
3
2
1
0 10 20 30 40
Khoảng cách kênh (THz)
Hình 1.8 Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh.
Công suất ngưỡng cho SRS có thể tính bằng công thức sau [2]:
PthSRS=16Aeff/gRLeff=(16αAeff)/gR (1.8)
Gía trị đặc trưng của gR ≈1x10-13 m/W tại λ = 1550nm. Lấy α = 0.046 1/km = 0.2dB/Km và
Aeff=55μm2, tính được PthSRS = 405mW cho một kênh. Con số này cho thấy có thể bỏ qua SRS
trong hệ thống đơn kênh
Một cách khác để tính công suất ngưỡng này là [3]:
PthSRS=5.9x10-2d2λα watts (1.9)
Với d: đường kính lõi sợi quang (μm)
λ: bước sóng hoạt động (μm)
α: hệ số suy hao (dB/Km)
1.2.4 Lan truyền trong môi trường phi tuyến
Theo [1,2] đối với môi trường tuyến tính, vector phân cực P có mối liên hệ với điện
trường tác động E như sau:
P (r, t ) = ε 0 χ e (r, t ) E (r, t ) (1.10)
12
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Với χe là độ cảm điện (electric susceptibility). Mối liên hệ giữa χe với chiết suất của môi trường n
có thể biểu diễn bằng:
n = 1 + χe (1.11)
Các hiệu ứng khúc xạ phi tuyến xảy ra là do sự phụ thuộc của độ cảm điện vào cường độ
điện trường E. Trong sợi quang, các hiện tượng phi tuyến có thể xem xét thông qua biểu thức gần
đúng sau:
P(r, t ) = PL (r, t ) + PNL (r, t ) = ε 0 χ e (r, t )E(r, t ) + ε 0 χ (e3) E 3 (r, t ) (1.12)
Số hạng thứ nhất trong công thức (1.12) là phân cực điện môi tuyến tính, còn số hạng thứ hai là
phân cực điện môi phi tuyến.
Chiết suất khúc xạ của môi trường sẽ là:
n(ω,E)=nL (ω)+nNLE2 (1.13)
Với ω là tần số góc của ánh sáng. Số hạng thứ nhất trong công thức (1.13) là chiết suất tuyến tính
và là nguyên nhân gây ra tán sắc vật liệu. Số hạng thứ hai thể hiện hiệu ứng phi tuyến bởi vì nó tỉ
lệ với cường độ ánh sáng I=0.5ε0cnE2. Hệ số khúc xạ phi tuyến:
nNL=3/8nχe(3) (1.14)
Có thể biểu diễn sự khúc xạ phi tuyến theo một cách khác:
n = nL (ω)+nNL(P/Aeff) (1.15)
Với P là công suất ánh sáng. Ðối với sợi quang silica, thường nNL=3.2x10-20 m2/W và Aeff≈55μm2.
Giả sử P=1mW thì nNL(P/Aeff) =5.8x10-9. Ðây là phần phi tuyến của chiết suất trong điều kiện
bình thường. Chiết suất của silica vào khoảng 1,45 cho nên rõ ràng trong trường hợp này các hiệu
ứng phi tuyến có thể bỏ qua.
Hằng số lan truyền pha β=ωn/c cũng phải phụ thuộc vào E2. Sự phụ thuộc này có thể biểu diễn
như sau:
β =ωnL/c + (3ω/8cn)χe(3)E2 (1.16)
Có thể biểu diễn hằng số pha phi tuyến theo một cách khác:
β = βL + γNLP (1.17)
Với βL là thành phần tuyến tính của hằng số lan truyền pha và γNL=(2π/λ)nNL/Aeff là hệ số lan
truyền pha phi tuyến. Giả sử nNL =3.2x10-20 m2/W, Aeff=55μm2, và λ=1550nm, khi đó
γNL=2.35x10-3 1/m.W. Lại giả sử P=1mW, phần phi tuyến trong hằng số lan truyền pha vào
khoảng 10-6. Lưu ý γNLP = (2π/λ)nNL(P/Aeff) vì vậy:
13
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
β = βL + (2π/λ)nNL(P/Aeff) (1.18)
1.2.5 Hiệu ứng tự điều pha SPM
Xét một hệ thống đơn kênh, ánh sáng như là sóng EM có dạng (chỉ xét phần thực):
E(z,t)=E0e-αzcos(ωt-βz)
β được tính theo công thức (1.16) nên sẽ có độ dịch pha bổ xung. Ðộ dịch pha này được tính
bằng:
L L
Φ = ∫ (β − β L )dz = ∫ γ NL P(z)dz =γ NL Pin L eff (1.19)
0 0
Có thể biểu diễn sự phụ thuộc này theo một cách khác:
Φ=(3ω/8cn)χe(3)E2Leff (1.20)
Dựa vào công thức (1.19) và (1.20) có thể giải thích cơ chế SPM như sau: Ðộ dịch pha phi
tuyến Φ của sóng mang quang thay đổi theo thời gian là do cường độ (công suất) của xung ánh
sáng thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi này là do sự thay đổi của công suất đầu vào Pin(t) và/hay
sự biến thiên theo thời gian của biên độ xung khi xung lan truyền dọc theo sợi quang. Do đó Φ trở
thành một hàm số theo thời gian Φ(t). Theo định nghĩa đạo hàm của độ dịch pha dΦ(t)/dt≠0 biểu
diễn sự thay đổi của tần số. Sự thay đổi tần số này được gọi là chirping. Bây giờ đã rõ vì sao hiệu
ứng này được gọi là tự điều pha: Ðiều chế này là sự thay đổi tần số xảy ra do sự dịch pha gây ra
bởi chính xung ánh sáng.
Trong tán sắc màu, các bước sóng khác nhau (các tần số) lan truyền theo các vận tốc khác
nhau. Như vậy xung mang các tần số khác nhau khi lan truyền sẽ giãn ra. Rõ ràng SPM gây ra
giãn xung thông qua tán sắc màu. Cần lưu ý một ưu điểm của SPM là: khi công suất lan truyền
cao, ở khoảng đầu sợi quang, SPM có thể nén xung. Tuy nhiên khi xung lan truyền xa hơn, xung
sẽ bị giãn nhiều hơn. Hiện tượng nén xung này có thể sử dụng để bù tán sắc.
Các hiệu ứng phi tuyến thường được đánh giá qua các giới hạn công suất cho hệ thống
thông tin. Ðể ảnh hưởng của SPM là tối thiểu, độ dịch pha phi tuyến phải rất nhỏ tức là Φ<<1.
Theo công thức (1.2) Leff ≈1/α cho nên Pin << α/γNL. Ví dụ α = 0,2dB/km tức α = 0,046 1/km và
γNL=2,35x10-3 1/m.W thì công suất đầu vào phải nhỏ hơn 19,6 mW.
1.2.6 Hiệu ứng điều chế xuyên pha
SPM là giới hạn phi tuyến chủ yếu trong hệ thống đơn kênh. Trong hệ thống đa kênh độ
dịch pha của một kênh, ví dụ như kênh thứ nhất Φ1, phụ thuộc không những vào cường độ (công
suất) của chính kênh đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của những kênh còn lại. Hiện tượng này
gọi là điều chế xuyên pha CPM. Ví dụ xem xét hệ thống ba kênh. Khi đó Φ1 sẽ là:
Φ1=γNLLeff(P1+2P2+2P3) (1.21)
14
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
CMP ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thông qua cơ chế giống như SPM: tần số
chirping và tán sắc màu. CPM có thể ảnh hưởng đến hệ thống mạnh hơn SPM vì hệ số 2 trong
công thức (1.21).
1.2.7 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
Trong hệ thốngWDM sử dụng các tần số góc ω1….ωn, sự phụ thuộc của chiết suất vào
cường độ (công suất) không chỉ gây ra sự dịch pha trong mỗi kênh mà còn sinh ra tần số mới như
là 2ωi-ωj và ωi+ωj-ωk. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trộn bốn bước sóng (FWM_Four-wave
Mixing). Trái với SPM và CPM chỉ có ảnh hưởng đối với các hệ thống tốc độ bit cao, hiệu ứng
trộn bốn bước sóng không phụ thuộc vào tốc độ bit mà phụ thuộc chặt chẽ vào khoảng cách kênh
và tán sắc màu của sợi. Giảm khoảng cách kênh làm tăng ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước
sóng và việc giảm tán sắc màu cũng vậy. Do đó, các ảnh hưởng của FWM phải được xem xét
ngay cả ở các hệ thống tốc độ vừa phải khi khoảng cách kênh gần nhau và/hoặc khi sử dụng sợi
dịch chuyển tán sắc.
Ðể hiểu các ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng, ta xét một tín hiệu WDM là tổng
của n sóng phẳng đơn sắc. Trường điện của tín hiệu này có thể được viết một cách đơn giản:
n
E (r , t ) = ∑ Ei cos(ωi t − β i z )
i =1
Theo công thức (1.12), phân cực điện môi phi tuyến có thể được viết
n n n
PNL ( r , t ) = ε 0 χ (e3) ∑ ∑ ∑ E i cos( ω i t − β i z )E j cos( ω j t − β j z ) E k cos( ω k t − β k z )
i =1 j=1 k =1
3ε 0 χ (e3) n ⎛ 2 ⎞
=
4
∑ ⎜ E i + 2∑ E i E j ⎟E i cos( ω i t − β i z )
⎜
i =1 ⎝
⎟ (1.22)
j≠ i ⎠
ε 0 χ (e3) n
∑
3
+ E i cos(3ω i t − 3β i z ) (1.23)
4 i =1
3ε 0 χ (e3 ) n
∑ ∑
2
+ E i E j cos(( 2 ω i − ω j ) t − ( 2β i − β j ) z ) (1.24)
4 i =1 j≠ i
3ε 0 χ (e3) n
∑∑
2
+ E i E j cos((2ωi + ω j ) t − (2β i + β j )z) (1.25)
4 i =1 j≠ i
6ε 0 χ (e3) n
+
4
∑∑∑
i =1 j> i k > j
E i E jE k ×
(
× cos((ωi + ω j + ωk ) t − (β i + β j + β k )z) (1.26)
+ cos((ωi + ω j − ω k ) t − (β i + β j − β k )z) (1.27)
+ cos((ωi − ω j + ω k ) t − (β i − β j + β k )z) (1.28)
+ cos((ωi − ω j − ωk ) t − (β i − β j − β k )z) ) (1.29)
15
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Như vậy, độ cảm điện phi tuyến của sợi quang tạo ra các trường mới (các sóng mới) ở tần
số ωi±ωj±ωk (ωi, ωj, ωk có thể giống nhau). Hiện tượng này gọi là hiệu ứng trộn bốn bước sóng.
Nguyên nhân là do các tần số ωi, ωj, ωk tổ hợp với nhau tạo ra bước sóng thứ tư ở tần số
ωi±ωj±ωk. Ðối với khoảng cách tần số bằng nhau và một sự lựa chọn i, j, k nào đó, bước sóng thứ
tư ảnh hưởng đến ωi. Ví dụ, cho khoảng cách tần số Δω với ω1, ω2, ω3 là các tần số liên tiếp,
nghĩa là ω2= ω1+ Δω và ω3= ω1 + 2Δω sẽ có ω1-ω2+ω3 = ω2 và 2ω2-ω1=ω3.
Biểu thức (1.22) cho thấy ảnh hưởng của SPM và CPM mà ta đã đề cập đến trong mục
1.2.5 và 1.2.6, các biểu thức (1.23), (1.24) và (1.25) có thể bỏ qua do không có sự đồng pha. Dưới
các điều kiện thích hợp, có thể để thỏa mãn điều kiện đồng pha đối với các biểu thức còn lại, đó là
tất cả các dạng ωi+ωj-ωk, i,j ≠k (ωi, ωj có thể giống nhau). Chẳng hạn, nếu các bước sóng trong hệ
thống WDM là gần nhau hoặc phân bổ gần vùng tán sắc không của sợi, thì β gần như là không đổi
trên các tần số này và điều kiện đồng pha gần như là được thỏa mãn. Khi các điều kiện này thỏa
mãn, công suất của các tần số mới được tạo ra có thể phải quan tâm đến.
Có thể xác định giá trị của hiệu ứng trộn bốn bước sóng dạng ωi+ωj-ωk, i,j ≠k đơn giản
như sau.
Ðịnh nghĩa ωijk=ωi+ωj-ωk, và hệ số suy biến (Degeneracy Factor)
⎧3, i = j
d ijk = ⎨
⎩6, i ≠ j
Phân cực điện môi phi tuyến tại ωijk có thể được viết
ε 0 χ e(3)
PNLijk ( z , t ) = d ijk Ei E j E k cos((ωi + ω j − ω k )t − ( β i + β j − β k ) z ) (1.30)
4
Giả sử rằng các tín hiệu quang lan truyền như các sóng phẳng qua diện tích lõi hiệu dụng
Aeff trong sợi (xem hình 1.6), theo (1.25) có thể biểu diễn công suất của tín hiệu ở tần số ωijk sau
khi lan truyền qua khoảng cách L trong sợi là
2
⎛ ω ijk d ijk χ e( 3) ⎞
Pijk = ⎜ ⎟ P P P L2
⎜ 8 Aeff neff c ⎟ i j k
⎝ ⎠
Ở đây, Pi, Pj, Pk là các công suất ngõ vào tại các tần số ωi, ωj, ωk. Chú ý rằng chiết suất n
được thay thế bởi chiết suất hiệu dụng neff của mốt cơ sở. Sử dụng chiết suất phi tuyến nNL, có thể
viết
2
⎛ ωijk n NL d ijk ⎞
Pijk = ⎜ ⎟ Pi Pj Pk L2 (1.31)
⎜ 3cA ⎟
⎝ eff ⎠
Hãy xem xét một số ví dụ cụ thể. Giả sử rằng mỗi tín hiệu quang ở các tần số ωi, ωj, ωk có
công suất 1mW và diện tích lõi hiệu dụng của sợi quang là Aeff=50μm2. Cũng giả sử ωi ≠ ωj, để
dijk=6. Sử dụng nNL= 3.0x10-8μm2/W, khoảng cách lan truyền L = 20 km. Công suất Pijk của tín
hiệu ở tần số góc ωijk sinh ra do hiệu ứng trộn bốn bước sóng khoảng 9.5μW. Giá trị này chỉ thấp
hơn công suất của tín hiệu 1mW khoảng 20 dB. Trong hệ thống WDM, nếu có kênh khác cũng ở
tần số ωijk, hiệu ứng trộn bốn bước sóng có thể gây nhiễu kênh này.
16
Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM
Thực tế, các tín hiệu tạo bởi hiệu ứng trộn bốn bước sóng có năng lượng thấp do không có
sự đồng pha hoàn toàn và suy giảm suy hao sợi.
1.3 CÁC LINH KIỆN TRONG KIỆN TRONG HỆ THỐNG WDM
Các linh kiện được sử dụng trong các mạng quang hiện đại bao gồm các bộ ghép/tách
(couplers), bộ phát laser (lasers), bộ tách quang (photodetectors), bộ khuếch đại quang (optical
amplifiers), bộ chuyển mạch quang (optical switches), bộ lọc (filters) và bộ ghép/tách kênh
(multiplexers). Mục này sẽ tập trung xem xét nguyên lý hoạt động của các linh kiện nêu trên. Ðối
với mỗi linh kiện trước tiên sẽ đưa ra mô hình mô tả đơn giản sau đó là các mô hình toán học chi
tiết. Bạn đọc có thể bỏ qua phần mô tả toán học nếu thấy chưa cần thiết để tham khảo. Riêng bộ
khuếch đại quang sẽ được xem xét riêng ở chương 2. Phần này cũng không trình bày bộ phát
laser. Bạn đọc có thể tìm hiểu bộ phát laser trong “Hệ thống thông tin quang I”.
1.3.1 Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)
a) Định nghĩa
Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến
từ các sợi quang khác nhau. Nếu coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta
gọi là coupler có hướng (directional coupler). Nếu nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là
coupler song hướng (bidirectional coupler).
Coupler thông dụng nhất là coupler FBT (Fused Binconical Taper). Coupler này được chế
tạo bằng cách đặt 2 sợi quang cạnh nhau, sau đó vừa nung chảy để chúng kết hợp với nhau vừa
kéo dãn ra để tạo thành một vùng ghép (coupling region). Một coupler 2 x 2 đặc trưng bởi tỉ số
ghép α (0<α<1). α là tỉ lệ công suất ánh sáng ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng công suất ánh
sáng vào ngõ vào 1. Phần tỉ lệ 1-α công suất ánh sáng còn lại của ngõ vào 1 sẽ được truyền đến
ngõ ra 2. Hình 1.9 là một coupler FBT 2 x 2 có hướng.
Sôïi quang
Ñaàu vaøo 1 Ñaàu ra 1
Vuøng gheùp
Ñaàu vaøo 2
l Ñaàu ra 2
Chieàu daøi gheùp
Hình 1.9 Cấu tạo coupler FBT 2 x 2
Coupler có thể là chọn lựa bước sóng (wavelength selective) hay không phụ thuộc vào
bước sóng, tương ứng với α phụ thuộc hay không phụ thuộc vào bước sóng.
Trường hợp α=1/2, coupler được dùng để chia công suất tín hiệu ngõ vào thành hai phần
bằng nhau ở hai ngõ ra. Coupler trong trường hợp này được gọi là coupler 3 dB.
Coupler hình sao nxn có thể được tạo bằng cách kết nối các coupler 3dB như trên hình
1.10.
17