Bài giảng môn Kỹ thuật viễn thông - Chương 1: Hệ thống thông tin quang wdm

GIỚI THIỆU MÔN HỌCThời lượng môn học: 4ĐVHT (36LT + 18TL + 6TH)Mục tiêu:Kiến thức: Trang bị cho sinh viên các kiến thức về ghép kênh quang theo bước sóng WDM, các kỹ thuật khuếch đại quang, xu hướng phát triển của mạng quang. Kỹ năng: Rèn cho sinh viên có kỹ năng nghiên cứu, phân tích, đánh giá về các công nghệ trên mạng truyền tải quang Nội dung:Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM Chương 2: Khuyếch đại quang Chương 3: Truyền tải IP/WDM Chương 4: Một số công nghệ, kỹ thuật và xu hướng nghiên cứu trong mạng truyền tải quang GIỚI THIỆU MÔN HỌCTài liệu tham khảo:Cao Hồng Sơn. Công nghệ IP trên WDM . Nhà xuất bản Bưu Điện, 8-2005.Hoàng Văn Võ. Công nghệ và mạng thế hệ sau. Nhà xuất bản Bưu Điện, 2008 Vũ Văn San. Hệ thống Thông Tin Quang, tập 2. Nhà xuất bản Bưu Điện, 2008.Đỗ Văn Việt Em. Hệ thống thông tin quang II. Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2007.J. M. Senior, “Optical Fiber Communications: Principles and Practice”. Second edition, Prentice Hall, 1993.G. Keiser, “Optical Fiber Communications” . Third edition, McGraw-Hill, 2000.J. Gowar. Optical Communication Systems. Second edition, Prentice-Hall, 1993.G. P. Agrawal. Fiber-Optic Communication Systems. Second edition, John Wiley & Sons, 1997.Silvello Betti, Giancarlo De Marchis, Eugenio Iannoe. Coherent Optical Communications Systems . John Wiley & Sons, Inc, 1995.GIỚI THIỆU MÔN HỌCTài liệu tham khảo:Max Ming – Kang Liu. Principles and Applications of Optical Communications, 2001.Gerard Lachs. Fiber Optic Communications – Systems, Analysis, and Enhancements. McGraw-Hill, 1998.Peter Tomsu and Christian Schmutzer, "Next Generation Optical Networks", Prentice Hall PTR, 2002.D. Marcuse, A. R. Chraplyvy, et al., “Effect of Fiber Nonlinearity on Long Distance Transmission”, J. Lightwave Tech., Vol. 9, No.1, pp. 121-128, 1991.G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics. New York: Academic, 1995.Đánh giá:Tham gia học tập trên lớp: 10% Thực hành/Thí nghiệm/Bài tập/Thảo luận: 30 % Kiểm tra giữa kỳ: 10%Kiểm tra cuối kỳ: 50 % CHƯƠNG 1HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM  NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG (WDM) )CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM MỘT SỐ VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG WDM MẠNG TRUYỀN TẢI WDM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG (WDM) ) Kh¸i niÖm WDM: Nhu cÇu truyÒn sè liÖu t¨ng cao  dung l­îng truyÒn dÉn t¨ng nhanh. HÖ thèng truyÒn dÉn TDM truyÒn thèng bÞ giíi h¹n vÒ tèc ®é. Cöa sæ truyÒn dÉn trong sîi quang: WDM lµ kü thuËt cho phÐp truyÒn dÉn nhiÒu kªnh b­íc sãng quang trªn cïng mét sîi quang.HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMC¸c d¶i b¨ng tÇn ho¹t ®éng trong WDM: O-band (Original band): D¶i b¨ng tÇn tõ 1260 nm  1360 nm. E-band (Extended band): D¶i b¨ng tÇn tõ 1360 nm  1460 nm. S-band (Short wavelength band): D¶i b¨ng tÇn tõ 1460 nm  1530 nm. C-band (Conventional band): D¶i b¨ng tÇn tõ 1530 nm  1565 nm L-band (Long wavelength band): D¶I b¨ng tÇn tõ 1565 nm  1625 nm U-band (Ultra-long wavelength band): D¶I b¨ng tÇn tõ 1625 nm  1675 nmHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMQu¸ tr×nh ph¸t triÓn WDMTransmittersReceiversCombining SignalsSeparating SignalsTransmission on fiberHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMC¸c chÕ ®é truyÒn dÉn WDM: (Theo h­íng truyÒn dÉn)HÖ thèng WDM ®¬n h­íng:TransmittersReceivers Multiplexing DemultiplexingFiber 1123n123nTransmittersReceivers Multiplexing DemultiplexingFiber 2123n123nHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMHÖ thèng WDM song h­íng:Receivers2121Transmitters Multiplexing +DemultiplexingFiber 1111n2n122n Multiplexing +DemultiplexingReceiversTransmittersReceivers2121Transmitters Multiplexing +DemultiplexingFiber n111n2n122n Multiplexing +DemultiplexingReceiversTransmittersHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMM« h×nh chung hÖ thèng WDM: (®iÓm- ®iÓm) OTUOTUMUXBABé thuBé thuDEMUXPALAM¸y ph¸t quangM¸y thu quangKhuÕch ®¹i trung kÕ quangBé thu tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t kªnh quangBé ph¸t tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t kªnh quangThu/ ph¸t tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t kªnh quangHÖ thèng qu¶n lý m¹ng1n1nssssOTU - Bộ chuyển phát quangMUX/DEMUX - Bộ ghép/tách bước sóngBA - Bộ khuyếch đại công suấtPA - Bộ tiền khuyếch đại quangLA - Bộ khuyếch đại đường truyềnS - Bước sóng kênh giám sát quang (OSC)HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMCác tham số của hệ thống WDMa. Số lượng kênh bước sóng Nb. Khoảng cách giữa các kênh bước sóng Dlc. Băng thông sử dụng của hệ thống N x Dld. Tốc độ truyền tin trên mỗi kênh bước sóng Be. Dung lượng của hệ thống N x Bf. Dung lượng truyền dẫn của hệ thống N x B x Lg. Hiệu suất sử dụng kênh bước sóng B/DlBước sóng l#1 #2 # k # N-1 #NCông suất quangDlBăng thông sử dụng của hệ thống~ BHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMBảng 1.1- Các tham số chính của một số hệ thống WDM trong các phòng thí nghiệm.Số kênh bước sóng NTốc độ kênh B (Gbit/s)Khoảng cách truyền dẫn L (km)Dung lượng truyền dẫn (Tb/s-km)102681.3172015051.0273401171277.6261004101066.05320525840.0HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMBảng 1.2- Các tham số chính của một số hệ thống WDM hiện đang được khai thác trên thế giới.Số kênh bước sóng NTốc độ kênh B (Gbit/s)Khoảng cách truyền dẫn DlDung lượng truyền dẫn (Pb/s-km)Hệ thống8 + 410 + 401 7000.4Mạng đường trục DWDM backbone VNPT (2010)481039 00018.7Mạng liên lục địa SEAMEWE3 (2007)641018 80012Mạng liên lục địa SEAMEWE4 (2008)HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMPhân loại và các chuẩn của hệ thống WDM . Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM). Hệ thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM – Coarse WDM) Hệ thống WDM ghép mật độ cao (DWDM – Dense WDM)HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM1.2- CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDMHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Nguån quang: Sö dông laser ®¬n mode lµm nguån ph¸t (Cã thÓ sö dông LED trong kü thuËt c¾t phæ) Sö dông bé ®iÒu biÕn ngoµi ®Ó gi¶m chirp, tèc ®é ®iÒu biÕn cao vµ t¹o c¸c ®Þnh d¹ng tÝn hiÖu quang kh¸c nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK ). §¶m b¶o tÝn hiÖu quang cã ®é réng phæ hÑp t¹i b­íc sãng chÝnh x¸c theo tiªu chuÈn. Bé thu quang: Gièng c¸c bé thu quang sö dông trong c¸c hÖ thèng ®¬n kªnh §é nh¹y cao trong d¶i réng b­íc sãng, nhiÔu thÊp, ho¹t ®éng æn ®Þnh.HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Sîi quang: Sö dông sîi ®¬n mode G.652 (SMF) vµ sîi G.655 (NZ-DSF) Tr¸nh sö dông sîi G.653 (DSF). C¸c yÕu tè ¶nh h­ëng c¬ b¶n: . Suy hao . T¸n s¾c . HiÖu øng phi tuyÕnMét sè lo¹i sîi ®iÓn h×nhHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Bé t¸ch/ ghÐp b­íc sãng: (OMUX/ ODEMUX) OMUX: kÕt hîp c¸c b­íc sãng rêi r¹c kh¸c nhau thµnh tÝn hiÖu tæ hîp ®­a vµo sîi quang. ODEMUX: t¸ch tÝn hiÖu tæ hîp WDM thµnh c¸c kªnh b­íc sãng riªng biÖt ®­a tíi bé thu. C¸c tham sè c¬ b¶n: . Suy hao xen: . Xuyªn ©m:HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMj công suất quang đi vào đường truyền0 công suất quang tới tại jXuyên kênh i sang kênh j:Xuyên kênh tổng ở kênh j: Bé t¸ch/ ghÐp b­íc sãng: (OMUX/ ODEMUX) C¸c kü thuËt sö dông:T¸ch/ghÐp  dùa trªn c¸c bé läc quang:Bé läc Fabry-PerotBé läc mµng máng ®a lípBé giao thoa kÕ Mach-ZenderBé läc quang- ©mT¸ch/ghÐp  dùa trªn c¸ch tö:C¸ch tö nhiÔu x¹ ph¼ngC¸ch tö Bragg sîi quangM¶ng c¸ch tö dÉn sãng (AWG)Bé ghÐp xen (interleaver), bé ghÐp quang (coupler),HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Bé t¸ch/ ghÐp b­íc sãng: (OMUX/ ODEMUX) Ph¹m vi øng dông cña mét sè kü thuËt:HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Bé t¸ch/ ghÐp b­íc sãng: (Bé läc quang) Yªu cÇu:Ph¹m vi ®iÒu chØnh réngXuyªn ©m thÊp (th­êng k)l1l2l3f113f112f123f213f223f132f312f221f332f321f231f331HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.4 – MẠNG TRUYỀN TẢI WDM:HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMPhân loại theo cấu hình :Mạng đường thẳng Mạng vòng. Mạng hình sao ABDECABDECACoupler saoCDBHỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMPhân loại theo vùng phủ địa lý :Mạng đường trục WDM (mạng lõi) Mạng đô thị WDM Mạng truy cập HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMCác phần tử mạng trong hệ thống truyền tải WDM :Phần tử đầu cuối Phần tử lặp Phần tử xen rẽ (OADM) Phần tử nối chéo(OXC) HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDMQuản lý và báo vệ trong mạng WDM :Quản lý: Chức năng quản lý trong mạng WDM có thể được thực hiện trên một bước sóng riêng biệt.Bảo vệ:Lớp kênh quangBảo vệ kênh quangBảo vệ 1+1Lớp đoạn ghép kênh quangBảo vệ đoạn ghép kênh quangBảo vệ 1+1 (W-UPSR)Bảo vệ 1:1, 1:n (W-BLSR)Lớp đoạn truyền dẫn quangBảo vệ đường truyền quangBảo vệ 1+1, 1:1CHƯƠNG 2KHUẾCH ĐẠI QUANGKHUẾCH ĐẠI QUANG2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2.2. KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA)2.3. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) 2.4. KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG HIỆU ỨNG RAMAN (RA) 2.5. SO SÁNH CÁC LOẠI BỘ KHUẾCH ĐẠI Trong mäi hÖ thèng th«ng tin quang, suy hao cña sîi lµm h¹n chÕ kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn §èi víi c¸c hÖ thèng quang cù ly dµi, ®Ó bï suy hao th­êng sö dông c¸c tr¹m lÆp quang - ®iÖn (rÊt phøc t¹p vµ ®¾t tiÒn ®èi víi hÖ thèng quang WDM).Gi¶i ph¸p kh¸c: dïng c¸c bé khuÕch ®¹i quang (OA) ®Ó khuÕch ®¹i trùc tiÕp tÝn hiÖu quang.1980: mét sè lo¹i bé OA ®· ®­îc nghiªn cøu chÕ t¹oSOA : Semiconductor Optical AmplifierRFA : Raman-based Fiber AmplifierEDFA : Erbium-doped Fiber Amplifier 1990: øng dông OA ®Ó bï suy haoVíi c¸c hÖ thèng quang: EDFA ®­îc sö dông phæ biÕn nhÊt§èi víi c¸c hÖ thèng cù li dµi: RFA ho¹t ®éng tèt h¬nKHUẾCH ĐẠI QUANGKHUẾCH ĐẠI QUANGCác tham số cơ bản :Hệ số khuếch đại G = Pout / Pin G (dB) = 10 log (Pout / Pin) Pin và Pout là công suất đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại quang [mW].KHUẾCH ĐẠI QUANGĐộ rộng băng tần khuếch đại: Là đáp ứng tần số quang của bộ khuếch đại G(f) khi đo hệ số khuếch đại G của các tín hiệu quang ở các tần số khác nhau Bo được xác định bởi điểm -3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh của bộ khuếch đại Công suất ra bão hòa HÖ sè K§ G gi¶m khi c«ng suÊt tÝn hiÖu t¨ng (b·o hoµ G)Công suất ở đầu ra tại điểm G giảm 3 dB được gọi là công suất ra bão hòa Psat, out.PinPoutPout, satPin,satPout 3dBPout,satGKHUẾCH ĐẠI QUANGNhiÔu bé khuÕch ®¹iC¸c bé K§ g©y ra nhiÔu vµ lµm gi¶m tØ sè SNRNguån nhiÔu: ph¸t x¹ tù ph¸t (ASE-Amplified Spontaneous Emission)MËt ®é phæ nhiÔu ph¸t x¹ tù ph¸t gÇn nh­ lµ kh«ng ®æi: HÖ sè ®¶o mËt ®é (hs ph¸t x¹ tù ph¸t): Gi¸ trÞ nhiÔu bé K§ ®­îc ®Þnh nghÜa:SNR lµ tØ sè SNR ®iÖn t¹o ra trong bé t¸ch quang KHUẾCH ĐẠI QUANGNhiÔu bé khuÕch ®¹iVíi mäi bé K§: Pout=GPinSNR cña tÝn hiÖu vµo khi h¹n chÕ ®­îc nhiÔu b¾n: §Ó ®¸nh gi¸ SNR cña tÝn hiÖu K§ cÇn thªm ph©n bè ph¸t x¹ tù ph¸t vµo nhiÔu m¸y thu.Ph¸t x¹ tù ph¸t kÕt hîp víi tÝn hiÖu t¹o ra dßng trong bé t¸ch quang cã ®¸p øng R:V× Ein vµ Esp cã pha ngÉu nhiªn kh¸c nhau. Dßng nhiÔu: KHUẾCH ĐẠI QUANGNhiÔu bé khuÕch ®¹i LÊy trung b×nh ®èi víi  (cos  =1/2) vµ bá qua víi c¸c nguån nhiÔu kh¸c: Do ®ã SNR cña tÝn hiÖu K§ cã d¹ng:Gi¸ trÞ nhiÔu cña bé K§:SNR gi¶m 3dB ngay c¶ víi bé K§ lÝ t­ëng (nsp=1)Thùc tÕ, Fn v­ît 3 dB vµ cã thÓ tíi 6-8 dBKHUẾCH ĐẠI QUANGNhiÔu bé khuÕch ®¹iMinh ho¹ c¸ch x¸c ®Þnh Fn : Sourse Spontaneous Emission (SE)InputIdeal outputActual outputWavelenghtPowerSourse SE*GainEDFA ASEGainSNRoutSourse SE*Gain+EDFA ASEInput Sinal*GainKHUẾCH ĐẠI QUANG2.2. KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) KHUẾCH ĐẠI QUANGSOA cßn ®­îc gäi SLA- Semiconductor Laser AmplifierHo¹t ®éng ë chÕ ®é ®Þnh thiªn thÊp h¬n dßng ng­ìngThùc tÕ, so víi LD th× SLA cã èng dÉn sãng réng h¬n vµ 2 mÆt ®­îc phñ mét líp chèng ph¶n x¹ ®Ó tr¸nh ng­ìng LD vµ ®¹t ®­îc khuÕch ®¹i caoC¸c bé SOA th­êng lµ c¸c bé khuÕch ®¹i céng h­ëng (R1 vµ R2 0)Ph©n lo¹i SLA theo cÊu tróc:FP-SLA (bộ khuếch đại b¸n dÉn cã khoang céng h­ëng FP )DFB-SLA (bộ khuếch đại b¸n dÉn håi tiÕp ph©n t¸n )TW-SLA (bộ khuếch đại b¸n dÉn sãng ch¹y )input fiberoutput fiberR1R2PinPout=GtotPoutinoutKHUẾCH ĐẠI QUANGFP-SOA:HÖ sè K§ cña FP-SOA ®­îcx¸c ®Þnh nh­ sau:trong ®ã: Thùc tÕ GFP gi¶m tíi G khi R1=R2=0 vµ GFP ®¹t ®Ønh khi  trïng m vµ gi¶m m¹nh khi ë gi÷a chóng.HÖ sè khuÕch ®¹i thùc bị gi¶m cßn inoutGFPNÕu dßng ®iÒu khiÓn lµ 10mA th× hÖ sè K§ ®¹t ®­îc kho¶ng 25-30 dB, c«ng suÊt ra b·o hoµ lµ 8dB víi ®é réng b¨ng tÇn 1-3GHzR2R1PoutPinLIBG - Hệ số khuyếch đại thông đơnm - tần số céng hưởng của khoangL - khoảng cách các mode còn gọi là dải phổ tự do của khoang FPKHUẾCH ĐẠI QUANGFP-SOA:§é réng b¨ng tÇn bé K§ tõ ®iÒu h­ëng -m víi GFP gi¶m 3dB so víi gi¸ trÞ ®Ønh: §Ó A lín th× ph¶i gÇn b»ng 1.H¹n chÕ cña FP-SOA: + Phæ khuÕch ®¹i bÞ nhÊp nh« do sù ph¶n x¹, ®Ønh t¹i =m + §é réng b¨ng tÇn bé K§ (A) lµ mét phÇn nhá cña d¶i phæ tù do cña khoang PF (L=100GHz vµ A=10GHz). A nhá lµm cho bé K§ FP kh«ng phï hîp víi c¸c øng dông hÖ thèng quang.§Ó kh¾c phôc nh÷ng h¹n chÕ nµy ph¶i sö dông lo¹i TW-SOAKHUẾCH ĐẠI QUANGTW-SOA:§Ó c¶i thiÖn ®Æc tÝnh khuÕch ®¹i cÊu tróc dÉn sãng trong FP-SOA ®­îc thay ®æi: èng dÉn sãng ë líp tÝch cùc ®­îc ch¹y xiªn, hai ®Çu ®­îc bäc líp chèng ph¶n x¹: gi¶m ng­ìng LD, t¨ng hÖ sè K§ vµ më réng phæ K§.TW- SOA cã hÖ sè ph¶n x¹ rÊt nhá (0,1ps2/km th× 3 ®­îc bá qua. Khi ®ã: (1.17)¶nh h­ëng cña t¸n s¾c biÓu thÞ qua hÖ sè pha: Giíi h¹n tèc ®é bit- Nguån quang cã ®é réng phæ lín (vÝ dô LED), V>>1. NÕu 2 tréi h¬n vµ bá qua ¶nh h­ëng chirp (C=0): Tõ pt (1.23) tÝnh ®­îc ®é réng xung ®Çu ra: (1.24)Trong ®ã: - ®Ó ®o d·n xung do t¸n s¾c.Giíi h¹n chung ®èi víi tèc ®é bit lµ: (1.25) §èi víi xung Gauss: ®iÒu nµy cã nghÜa lµ 95% n¨ng l­îng cña xung vÉn n»m trong khe bit. Do ®ã, khi d·n xung lín (D>> 0) th× pt(1.25) trë thµnh: (1.26)VÝ dô: D=17ps/nm.km, =15nm --> [BL]max1Gb/s.Km NÕu 3 tréi h¬n vµ bá qua ¶nh h­ëng chirp (C=0):Khi ®ã: (1.27)Giíi h¹n tèc ®é bit: (1.28)VÝ dô: S=0,08ps/km.nm2, =15nm --> [BL]max20Gbit/s.Km Giíi h¹n tèc ®é bit- Nguån quang cã ®é réng phæ nhá (vÝ dô LD), V [B2L]max3000[(Gb/s)2.Km]2,5 Gb/s truyÒn ®­îc 480 Km, 10Gb/s truyÒn ®­îc 30 Km NÕu 3 tréi h¬n vµ bá qua ¶nh h­ëng chirp (C=0):Khi ®ã: (1.31)Giíi h¹n tèc ®é bit: (1.32)VÝ dô: SMF 3=0,1ps3/km --> [B3L]max3.108[(Gb/s)3.Km]50 Gb/s truyÒn ®­îc 2700 Km, 100Gb/s truyÒn ®­îc 340 Km Sù cÇn thiÕt ph¶i bï t¸n s¾c §Ó gi¶m ¶nh h­ëng cña GVD:Dïng Laser cã phæ hÑpB­íc sãng ho¹t ®éng gÇn ZD. Thùc tÕ, c¸c m¹ng TTQ hÇu hÕt sö dông SSMF cã ZD1,31m. Trong khi c¸c nguån quang sö dông cã =1,55 m, khi truyÒn trong sîi SSMF cã D 16ps/(km.nm). Khi tèc ®é bÝt >2Gb/s th× GVD ¶nh h­ëng nghiªm träng ®Õn hiÖu n¨ng hÖ thèng. C¸c hÖ thèng quang hiÖn ®¹i sö dông c¸c EDFA, nªn GVD lµ nh©n tè chÝnh giíi h¹n hiÖu n¨ng hÖ thèng . Do ®ã, cÇn thiÕt ph¶i thùc hiÖn bï t¸n s¾c trong c¸c hÖ thèng quang ®Ó c¶i thiÖn hiÖu n¨ng cña hÖ thèng. C¸c kü thuËt bï RÊt nhiÒu kü thuËt ®­îc sö dông ®Ó gi¶m ¶nh h­ëng cña t¸n s¾c. C¸c kü thuËt ®iÖn: Bï tr­íc (tr­íc khi truyÒn dÉn) Bï sau (sau khi t¸ch tÝn hiÖu) C¸c kü thuËt quang: Sîi bï t¸n s¾c C¸c bé läc C¸ch tö sîi chirp KÕt hîp pha quang SolitonTÊt c¶ c¸c kü thuËt nµy cã môc ®Ých lµ khö t¸n s¾c do hÖ sè pha g©y ra khi tÝn hiÖu truyÒn trong sîi: (1.33) Sö dông kü thuËt ®iÖn ®Ó bï GVD t¹i m¸y thu. §Ó bï t¸n s¾c sö dông m¸y thu heterodyne ®Ó t¸ch tÝn hiÖu: §Çu tiªn, m¸y thu biÕn ®æi tÝn hiÖu quang thµnh tÝn hiÖu v« tuyÕn t¹i tÇn sè IF trong khi vÉn duy tr× c¶ th«ng tin biªn ®é vµ pha. Sau ®ã cho tÝn hiÖu qua mét bé läc b¨ng cã hµm truyÒn ®¹t nh­ sau. (1.39)Trong ®ã L lµ chiÒu dµi sîi quang ®Ó kh«i phôc ®­îc d¹ng gèc cña tÝn hiÖu. Kü thuËt nµy ®Ó bï t¸n s¾c trong hÖ thèng quang coherent kü thuËt bï sau bï VíI sîi bï t¸n s¾c NÕu bá qua ¶nh h­ëng phi tuyÕn, th× t¸n s¾c hoµn toµn ®­îc bï b»ng mét ®o¹n sîi quang thø hai cã D<0 (Sîi DCF). (1.39)Trong ®ã: L=L1+L2 vµ 2j lµ tham sè GVD cña ®o¹n sîi Lj (j=1,2). NÕu: 21L1+22L2=0 hay D1L1=-D2L2 th× d¹ng xung ®Çu ra: A(L,t)=A(0,t) ChiÒu dµi cña sîi DCF cµng ng¾n cµng tèt, nªn nã ph¶i cã gi¸ trÞ ©m lín C¸c DCF cã D=-300-100ps/nm.km ®­îc chÕ t¹o víi tham sè V nhá nh­ng suy hao t­¬ng ®èi cao: 0,4 1 dB/km. C¸c DCF th­¬ng m¹i, cã L2=4km cã thÓ bï L1=50km sîi SSMF bï t¸n s¾c VíI c¸ch tö bragg sîi CHIRP ChiÕt xuÊt trong sîi thay ®æi theo chu kú däc sîi. NÕu n(z) thay ®æi däc sîi theo chu kú sÏ ®­îc c¸ch tö sîi chirp B­íc sãng Bragg, B=2TGB, t¹i ®ã tÝn hiÖu ph¶n x¹ sÏ thay ®æi däc sîi. C¸c thµnh phÇn tÇn sè kh¸c bÞ trÔ víi thêi gian kh¸c nhau KÕt qu¶ tÝn hiÖu quang ra sÏ bï ®­îc t¸n s¸c Trong hÖ thèng quang cù li dµi, sö dông kü thuËt OPC ®Ó bï t¸n s¾c. Nguyªn lý cña OPC lµ thùc hiÖn kÕt hîp tr­êng phøc t¹i chÆng gi÷a cña tuyÕn, kÕt qu¶ lµ t¹i n÷a sau ¶nh h­ëng cña GVD sÏ trung hoµ ¶nh h­ëng cña GVD ë n÷a ®Çu. Ph­¬ng ph¸p nµy cßn ®­îc gäi lµ ®¶o phæ gi÷a chÆng. Ph­¬ng ph¸p sö dông th«ng dông nhÊt trong OPC lµ FWM trong m«i tr­êng phi tuyÕn: th­êng chän b­íc sãng b¬m trïng víi b­íc sãng t¸n s¾c kh«ng ThÝ dô vÒ bï t¸n s¾c: tÝn hiÖu =1542,9nm ®­îc kÕt hîp pha nhê FWM trong 21 km sîi DSF víi sãng b¬m ë =1546,7nm bï t¸n s¾c VíI kÕt hîp pha quang (OPC) HÖ thèng quang cù li dµi Bá qua ¶nh h­ëng cña phi tuyÕn, t¸n s¾c GVD tæng ®­îc bï mét lóc ë ®Çu thu. Khi xÐt ®Õn ¶nh h­ëng cña phi tuyÕn th× ph¶i sö dông mét gi¶i ph¸t kh¸c: qu¶n lý t¸n s¾c theo chu kú. Sö dông c¸c sîi quang cã GVD d­¬ng vµ ©m trong mét chu kú, sao cho: D= (D1L1+D2L2)/Lm0 Thùc tÕ, chu kú s¾p xÕp Lm=L1+L2 ®­îc chän phô thuéc vµo hiÖu n¨ng hÖ thèng vµ th­êng ®­îc chän = LA Lm=LA 80km hÖ thèng quang ®Êt liÒn nh­ng gi¶m xuèng 50km ®èi víi hÖ thèng c¸p biÓn. HÖ thèng quang cù li dµi Cho hÖ thèng sîi ®¬n mode chuÈn:RxTxOAOADCFS-SMFMét chu k× bï t¸n s¾cLDCFLSSMFKho¶ng c¸ch (km)§é d­ t¸n s¾c (ps/nm)0RxTxOAOADCFS-SMFMét chu k× bï t¸n s¾cLDCFLSSMFKho¶ng c¸ch (km)§é d­ t¸n s¾c (ps/nm)0RxTxOAOADCFS-SMFMét chu k× bï t¸n s¾c1/2LDCFLSSMFOADCF1/2LDCFKho¶ng c¸ch (km)§é d­ t¸n s¾c (ps/nm)0 HÖ thèng quang b¨ng réng C¸c hÖ thèng WDM yªu cÇu bï t¸n s¾c ®ång thêi cho tÊt c¶ c¸c kªnh: D1(n)L1+D2(n)L2=0 §­êng cong t¸n s¾c DCF ph¶i tho¶ m·n: S2=-S1(L1/L2)=S1(D2/D1) TØ sè S/D ph¶i phï hîp trªn c¶ hai ®o¹n. NhiÒu c¸ch tö sîi cã thÓ ®­îc sö dông: Bï t¸n s¾c bËc 3 Víi c¸c xung hÑp truyÒn ë tèc ®é cao th× yªu cÇu ph¶i bï c¶ t¸n s¾c bËc 2 vµ bËc 3. 21L1+22L2=0 vµ 31L1+32L2=0 ThiÕt kÕ c¸c DCF cã ®­êng cong t¸n s¾c ©m sao cho: 32=(22/ 21) 31=-(L1/L2) 31 C¸c d¹ng xung sau khi truyÒn xung 2,6ps qua 300km sîi dÞch t¸n s¾c (2=0).MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG 4.2. CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN VÀ ỨNG DỤNGMỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hiệu ứng tự điều chế pha (SPM)Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến NL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM) Là hiệu ứng pha phi tuyến gây ra do do tác động của các xung quang ở các kênh khác. Chỉ xẩy ra trong hệ thống đa kênh. Trong hệ thống đa kênh, dịch pha phi tuyến của tín hiệu tại bước sóng trung tâm i được tính theo công thức sau:MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) Tần số sóng quang mới sinh ra khi 2 hoặc 3 sóng quang với các tần số khác nhau tương tác với nhau - 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 thoả mãn: ijk = i + j - k - Tổng số các thành phần mới được tạo ra có thể tính như sau: m = 1/2 (N3 - N2) với N là số kênh ban đầu MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hiệu ứng tán xạ Raman (SRS)Là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi, trong đó photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tớiKhi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng (gọi là bơm Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stoke. Công suất của bước sóng Stoke Ps(L) được tính theo công thức: Ps(L) = P0exp(grP0L/KAeff) P0 là công đưa vào sợi tại bước sóng tín hiệu; gr là hệ số khuếch đại Raman; 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 sợi thông thường thì K ≈ 2 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hiệu ứng Brillouin (SBS) - Tương tự như SRS. Ánh sáng tới tương tác với môi trường truyền và mất một phần năng lượng để chuyển lên bước sóng dài hơn. - Bước sóng Stokes ở hiện tượng Brillouin có khoảng cách cỡ 11 GHz so với bước sóng bơm - Sóng Stokes chỉ sinh ra trên hướng ngược lại với sóng bơm. - mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau: Với: g : là hệ số khuếch đại Brillouin. p : là độ rộng phổ tín hiệu. - Hiệu ứng này không phụ thuộc số kênh của hệ thống.MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Ứng dụng các hiệu ứng phi tuyến Ứng dụng hiệu ứng SPM làm bộ tái tạo tín hiệuỨng dụng hiệu ứng FWM làm bộ chuyển đổi bước sóng MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG 4.3- FTTx- Đây là một hình thức truy nhập trong mạng truy nhập sợi quang, để đưa dịch vụ tới khách hàng. FTTx bao gồm các hệ thống truy nhập khác nhau như:- Sợi quang tới vùng dân cư (FTTC).- Sợi quang tới cơ quan (FTTO).- Sợi quang tới tòa nhà (FTTB).- Sợi quang tới tận nhà (FTTH).MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG FTTCMỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG FTTO/H MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG FTTB MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Công nghệ AON Là mạng truy nhập quang để phân phối tín hiệu sử dụng các thiết bị cần nguồn cung cấp Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng đó →dữ liệu của khách hàng sẽ tránh được xung đột khi truyền trên đường vật lý chung. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Kiến trúc “Home Run” MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Kiến trúc Active Star Ethernet MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Công nghệ PON Là một kiến trúc mạng điểm-đa điểm, sử dụng các bộ chia quang thụ động (không có nguồn cung cấp) để chia công suất quang từ một sợi quang tới các sợi quang cung cấp cho nhiều khách hàng - Mạng quang thụ động có ba cấu hình cơ bản đó là: - Cấu hình Ring - Cấu hình cây - Cấu hình bus MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG 4.4- QUANG COHERENT- Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát với mức độ yêu cầu cao về độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn đình tần số (có thể điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài)- Độ phân cực của ánh sáng được giữ nguyên trạng quá trình truyềnTrước khi tách sóng ở thiết bị thu, tín hiệu thông tin được trộn với tín hiệu dao động nội. Như vậy ánh sáng đã được xử lý trước khi tới bộ tách sóng quang.- Ưu điểm: Có độ nhạy thu caoCho phép kéo dài thêm cự ly truyền dẫnBăng tần của hệ thống lớn và có thể điều chỉnh lựa chọn các kênh quangMỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang coherent - Chức năng các khối:DE (Drive Electronic): khối này thực hiện khuếch đại tín hiệu ngõ vào nhằm tạo tín hiệu có mức phù hợp với các khối phía sau.CWL (Continuous Wave Laser): đây là bộ dao động quang sử dụng laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh sáng liên tục có bước sóng 1.DEMODDECAMPDE-MODCWLLCLLOLOC112 Homodyne 1 = 2 Heterodyne 1  2Dữ liệu vàoBộ phátBộ thuHeterodyneMỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG LC (laser control): khối này nhằm ổn định bước sóng phát ra của bộ dao động quang.MOD (Modulator): đây là khối điều chế quang, sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài để tạo ra tín hiệu điều chế dạng ASK (Amplitude Shitf Keying), FSK (Frequency Shitf Keying), PSK (Phase Shitf Keying) hay PolSK (Polarization Shitf Keying ). LLO (Laser Local Oscillator): đây là bộ dao động nội tại bộ thu sử dụng laser bán dẫn tạo ra tín hiệu quang có bước sóng 2.DEC (Detector): khối này thực hiện hai tính năng, đầu tiên sử dụng coupler FBT cộng tín hiệu thu được (1) và tín hiệu tại chỗ (2). Sau đó đưa tín hiệu tổng tới photodiode để thực hiện tách sóng trực triếp theo qui luật bình phương. LOC (Local Oscillator control): khối này nhằm điều khiển pha và tần số của tín hiệu dao động nội ổn định.AMP (Amplifier): khối này khuếch đại tín hiệu điện sau khi tách sóng quang.DEMOD (Demodulator): khối này chỉ cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ heterodyne.MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent- Bộ thu quang Heterodyne Coupler 22Bộ tách sóng quangBộ lọc khuếch đại trung tần Bộ giải điều chế Bộ lọc khuếch đại dải nền Mạch quyết định bit AFC Bộ dao động nội Tín hiệu vàoTín hiệu raMỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG - Bộ thu quang Homodyne có khoá pha giữa tín hiệu dao động nội và tín hiệu vào.Coupler 22Bộ tách sóng quangBộ lọc khuếch đại dải nền Mạch quyết định bit AFC Bộ dao động nội Tín hiệu vàoTín hiệu raCoupler 22MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG 4.5- RoF- Công nghệ RoF sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ một trạm đầu cuối tới các khối anten đầu xa (RAU). MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Các ưu điểm khi sử dụng công nghệ RoFSuy hao thấpBăng thông lớnLắp đặt và bảo trì đơn giảnGiảm công suất tiêu thụ Phân bổ tài nguyên linh hoạt MỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG Hạn chế của công nghệ RoF - Do RoF gồm điều chế tương tự và tách sóng quang →về cơ bản là hệ thống truyền dẫn tương tự → tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo.