Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM" gồm 4 chương trình bày tổng quan hệ thống thông tin quang; các công nghệ khuếch đại quang sợi; phân tích các đặc tính, tham số kỹ thuật và ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, kết luận. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỮU SƠN --------------------------------------- NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG KHÓA 2013B Hà Nội – Năm 2014 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI TRONG TRUYỀN DẪN QUANG WDM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG Hà Nội – Năm 2014 ii
MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... 4 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................. 5 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................... 8 LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 10 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ............................... 11 1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang. ................................................ 11 1.2 Tổng quan về công nghệ WDM. ............................................................................ 13 1.2.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 13 1.2.2. Quá trình phát triển mạng truyền dẫn. ............................................................ 16 1.2.3. Công nghệ WDM. .......................................................................................... 17 1.2.4. Các thành phần chính của hệ thống thông tin quang. ...................................... 21 1.2.5. Tính ƣu việt của hệ thống thông tin quang. ..................................................... 22 CHƢƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI ............................... 25 2.1. Khái quát chung về khuếch đại quang. .................................................................. 25 2.2. Nguyên lý khuếch đại quang. ................................................................................ 27 2.3. Các thông số chính của sợi quang. ........................................................................ 28 2.3.1. Hệ số độ lợi, hệ số khuếch đại. ....................................................................... 28 2.3.2. Băng thông độ lợi. .......................................................................................... 30 2.3.3. Công suất ngõ ra bão hoà. .............................................................................. 30 2.3.4. Hệ số nhiễu. ................................................................................................... 32 2.4. Phân loại khuếch đại quang. .................................................................................. 32 2.4.1. Khuếch đại quang bán dẫn. ............................................................................ 33 2.4.2. Khuếch đại quang sợi OFA (EDFA). .............................................................. 35 2.4.3. Nguyên lý hoạt động của EDFA. .................................................................... 37 2.5 Các đặc tính kỹ thuật của bộ khuếch đại EDFA...................................................... 42 2.5.1. Đặc tính tăng ích. ........................................................................................... 42 2.5.2. Đặc tính công suất ra. ..................................................................................... 44 2.5.3. Đặc tính tạp âm. ............................................................................................. 45 1
2.6. Kết cấu cơ bản và kết cấu tối ƣu của EDFA. ......................................................... 47 2.6.1. Kết cấu cơ bản của EDFA. ............................................................................. 47 2.6.2. So sánh các đặc tính của ba phƣơng thức bơm. ............................................... 48 2.6.3. Kết cấu EDFA tối ƣu...................................................................................... 48 2.6.4. EDFA khuếch đại tín hiệu theo hai chiều........................................................ 49 2.7. Các bộ khuếch đại quang sợi băng rộng. ............................................................... 50 2.7.1. Bộ khuếch đại sợi quang trộn Praseodymium (Pr) PDFA. .............................. 50 2.7.2. EDFA trộn nhôm (Al). ................................................................................... 50 2.7.3. EDFA pha tạp Flo. ......................................................................................... 51 2.7.4. EDFA băng rộng trộn tellurium. ..................................................................... 52 2.7.5. Bộ khuếch đại quang sợi Raman. ................................................................... 53 2.7.6. Bộ khuếch đại sợi quang bán dẫn SOA........................................................... 53 2.7.7. EDFA mắc song song..................................................................................... 54 2.8. Giải pháp kĩ thuật cho tuyến truyền dẫn sử dụng khuếch đại quang sợi. ................ 55 2.8.1. Nhiễu tích lũy. ............................................................................................... 55 2.8.2. Điều chỉnh tán sắc. ......................................................................................... 57 CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH, THAM SỐ KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA................................................ 59 3.1. Phƣơng trình cơ bản.............................................................................................. 59 3.2. Tính toán hệ số tạp âm. ......................................................................................... 59 3.3. Hệ số khuếch đại................................................................................................... 60 3.4. Công suất bơm ngƣỡng. ........................................................................................ 62 3.5. Công suất bão hòa tín hiệu. ................................................................................... 62 3.6. Tính toán công suất bơm ngƣỡng, công suất tới hạn, công suất bão hoà, hệ số khuếch đại của EDFA. ................................................................................................. 63 3.7. Các ứng dụng PA, BA, LA. .................................................................................. 64 3.7.1. Tiền khuếch đại (PA). .................................................................................... 64 3.7.2. Khuếch đại công suất (BA). ........................................................................... 66 3.7.3. Khuếch đại đƣờng truyền (LA)....................................................................... 67 3.7.4. Tính số tín hiệu trên tạp âm. ........................................................................... 69 3.7.5. Tính công suất bù trong từng trƣờng hợp BA, LA, PA để đạt đƣợc một tỷ số lỗi bit cho trƣớc. ........................................................................................................... 69 3.8. Các tham số của sợi EDF thông dụng. ................................................................... 71 3.9. Các sơ đồ ứng dụng của EDFA. ............................................................................ 71 2
3.10. Các tham số thiết kế hệ thống làm việc ở bƣớc sóng 1550nm. ............................. 72 3.10.1. Tham số của sợi quang. ................................................................................ 74 3.10.2. Nguyên lí làm việc của NZ – DSF. ............................................................... 75 3.10.3. Thiết kế hệ thống. ........................................................................................ 77 CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN ......................................................................................... 85 4.1. Kết quả đạt đƣợc................................................................................................... 85 4.2. Hƣớng phát triển đồ án. ........................................................................................ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 86 PHỤ LỤC A ................................................................................................................... I PHỤ LỤC B ..................................................................................................................II 3
LỜI CAM ĐOAN Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong viện Điện tử viễn thông, các thầy cô trong viện Đào tạo sau đại học trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi cho các học viên trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn em hoàn thành nội dung của luận văn này. Em xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này hoàn toàn do em tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra. Có sự hƣớng dẫn, góp ý sửa chữa của giáo viên hƣớng dẫn, các số liệu đƣợc công bố là hoàn toàn trung thực. Các số liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn về nguồn gốc xuất xứ và đƣợc nêu trong phần tài liệu tham khảo cuối luận văn. Em xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong quyển luận văn này. Hà Nội, ngày 09 tháng 09 năm 2014 Tác giả Nguyễn Hữu Sơn 4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3R Re-Shaping Định dạng lại Re-Timing Định thời lại Re-Amplifying Khuếch đại ADM Add-Dop Multiplexer Bộ ghép tách kênh APD Avalanche Photodiode Đi ốt tách sóng quang thác APS Automaic Protection Chuyển mạch bảo vệ tự động Switching ASE Amplified Spontaneous Bức xạ tự phát có khuếch đại Emission BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit CCIT Consultative Committee Uỷ ban tƣ vấn quốc tế về for International Telephony điện thoại và điện báo and Telegraphy DCF Dispersion Compensation Sợi bù tán sắc Fiber DEMUX DeMultiplexer Bộ tách kênh DFB Distributed Feedback laser Laser quang phân bố hồi tiếp DSF Dispersion Shifted fiber Sợi quang phân tán dịch chuyển DWDM Dense Wavelength Ghép kênh theo bƣớc sóng Division Multiplexing mật độ cao EDF Erbium Doped fiber Sợi quang pha tạp Erbium EDFA Erbium Doped fiber Bộ khuếch đại quang sợi pha Amplifier tạp Erbium EMI Electromagnetic Nhiễu điện từ interferenc 5
FEC Forward error correcting Sửa lỗi trƣớc FP-LD Fabry-Perot laser diode Điốt laser Fabry-Perot FWHM Full width at half Độ rộng xung tại nửa giá trị maximum cực đại FWM Four Wave Mixing Bộ trộn bốn bƣớc sóng GF Gain Flatting Tăng ích phẳng IM Indensity Modulation Điều chế cƣờng độ IM-DD Indensity Modulation - Điều chế cƣờng độ - Tách Direct Detection sóng trực tiếp ISDN Integrated Services Digital Mạng tích hợp dịch vụ số Network ITU International Hiệp hội viễn thông quốc tế Telecommunication Union ITU-T International Hiệp hội viễn thông quốc tế - Telecommunication Union Tiêu chuẩn viễn thông - Telecommunication Standardization Sector LA In-Line Amplifier Khuếch đại trên tuyến LAN Local Area Network Mạng cục bộ LD Laser Diode Điốt laser LED Light Emiting Diode Đi ốt phát quang MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NF Noise Figure Hệ số tạp âm NRZ Non Return to Zero Không trở về không OC-N Optical Carrier level-N Sóng mang quang mức N OE opto-electro O/E Bộ chuyển đổi quang điện converters OFA Optical Fiber amplifier Khuếch đại quang 6
OPA Optical Parametric Khuếch đại các tham số Amplifiers quang OTDM Optical Time Division Ghép kênh quang phân chia Multiplexing theo thời gian PA Preamplifier Tiền khuếch đại PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã PDFA Praseodymium Doped fiber Bộ khuếch đại quang sợi pha Amplifier tạp Praseodymium PDH Plesiochronous Digital Phân cấp cận đồng bộ Hierarchy PIN Positive Instrinsic Negative Cấu trúc PIN RFI Radio frequency Nhiễu tần số vô tuyến interference ROA Raman Optical Amplifier Khuếch đại quang Raman Rx Receiver Bộ thu RZ Return to Zero Trở về mức 0 SDH Synchronous Digital Phân cấp đồng bộ Hiarachi SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode SNR Single Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SOA Optical Semiconductor Khuếch đại quang bán dẫn Amplifier SRS Scattering Raman Tán xạ Raman kích thích stimulation STM-M Synchronous Transfer Mode truyền dẫn đồng bộ Mode level - M mức M TDM Time Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing thời gian TWA Traveling Wave Amplifier Bộ khuếch đại sóng chạy 7
Tx Transmitter Bộ phát WDM Wavelength Division Ghép kênh theo bƣớc sóng Multiplexing DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các giá trị của OC-N và STM-M..............................................................16 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Hai hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. ...................................................... 12 Hình 1. 2. Hệ thống (mạng) WDM. ....................................................................... 14 Hình 1. 3. Sự suy giảm của ánh sáng trong sợi Silic (thạch anh). ........................... 15 Hình 1. 4. Các thành phần chính của một hệ thống thông tin quang. ...................... 21 Hình 1. 5. Bộ phát quang. ...................................................................................... 21 Hình 1. 6. EDFA. .................................................................................................. 22 Hình 1. 7. Bộ thu quang. ........................................................................................ 22 Hình 2. 1. Bộ lặp quang điện. ................................................................................ 25 Hình 2. 2. Tuyến truyền dẫn quang. ....................................................................... 26 Hình 2. 3. Các hiện tƣợng biến đổi quang điện. ..................................................... 27 Hình 2. 4. Mối tƣơng quan hệ số khuếch đại và hệ số độ lợi. ................................. 29 Hình 2. 5. Sự phụ thuộc của công suất ra (theo Ps) theo G (theo G0). ..................... 31 Hình 2. 6. Sơ đồ khối một SOA. ............................................................................ 33 Hình 2. 7. Các ứng dụng cơ bản của SOA.............................................................. 34 Hình 2. 8. Sơ đồ các mức năng lƣợng của ion Er3+ tự do........................................ 35 Hình 2. 9. Cấu tạo cơ bản của EDFA ..................................................................... 37 Hình 2. 10. Quan hệ giữa tăng ích với nồng độ pha Er3+ trong sợi quang. .............. 43 Hình 2. 11. Quan hệ giữa độ lợi tín hiệu và công suất bơm quang. ........................ 43 8
Hình 2. 12. Quan hệ giữa G và chiều dài sợi quang trộn Erbium tại bƣớc sóng bơm 1480 nm. ............................................................................................................... 44 Hình 2. 13. Hệ số khuếch đại phụ thuộc chiều dài sợi và phƣơng thức bơm. .......... 44 Hình 2. 14. Ảnh hƣởng của các phƣơng thức bơm đối với hệ số tạp âm. ................ 46 Hình 2. 15. Kết cấu của EDFA bơm cùng chiều. ................................................... 47 Hình 2. 16. Kết cấu EDFA bơm ngƣợc chiều. ........................................................ 47 Hình 2. 17. Kết cấu EDFA bơm hai chiều. ............................................................. 48 Hình 2. 18. Quan hệ giữa công suất tín hiệu đầu ra và công suất bơm. ................... 48 Hình 2. 19. Sơ đồ EDFA bơm kiểu phản xạ. .......................................................... 49 Hình 2. 20. Sơ đồ của EDFA hai chiều. ................................................................. 49 Hình 2. 21. Sơ đồ vùng bƣớc sóng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang. ........ 50 Hình 2. 22. Công suất ASE theo bƣớc sóng trong bộ EDFA sợi quang Flo. ........... 51 Hình 2. 23. Phổ khuếch đại của EDFA tellurium. .................................................. 52 Hình 2. 24. Sơ đồ kết cấu song song của EDFA..................................................... 54 Hình 2. 25. Phổ khuếch đại của bộ khuếch đại EDFA song song. .......................... 54 Hình 3. 1. Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại. .................................. 64 Hình 3. 2. Sơ đồ tuyến sử dụng EDFA làm khuếch đại công suất. ......................... 66 Hình 3. 3. Sơ đồ tuyến sủ dụng EDFA làm khuếch đại đƣờng truyền. ................... 67 Hình 3. 4. Mối quan hệ các tham số quang. ........................................................... 79 9
LỜI MỞ ĐẦU Thế kỷ 21, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Truyền thông đa phƣơng tiện, nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh dẫn đến yêu cầu ngày một cao đối với việc tăng dung lƣợng truyền dẫn. Cùng với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch, công nghệ truyền dẫn cũng đạt đƣợc những thành tựu to lớn, đặc biệt là công nghệ truyền dẫn bằng cáp sợi quang. Cáp sợi quang đƣợc sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông và đƣợc coi là một môi trƣờng truyền dẫn lý tƣởng mà không một môi trƣờng truyền dẫn nào có thể thay thế. Với ƣu điểm băng thông rộng, cự li truyền dẫn xa, không bị ảnh hƣởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao, hệ thống thông tin quang phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, các tuyến đƣờng trục, trung kế với các cấu trúc linh hoạt, đáp ứng các nhu cầu dịch vụ hiện tại và tƣơng lai. Với sự tiến bộ vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật, gần đây đã thực hiện thành công việc khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải thông qua bất kỳ một quá trình biến đổi về điện nào. Kỹ thuật này cho phép khắc phục đƣợc nhiều hạn chế của trạm lặp nhƣ: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp, chi phí lớn… đã làm cho kỹ thuật truyền dẫn trên cáp sợi quang càng tỏ rõ tính ƣu việt. Nhận thức đƣợc tầm quan trọng cũng nhƣ ý nghĩa to lớn của khuếch đại quang sợi, dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung, em đã tập trung nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang WDM”. Những kết quả đạt đƣợc trong đề tài là tiền đề để tiếp tục những nghiên cứu sâu, rộng hơn nhằm đƣa đến những ứng dụng trong thực tế. Nội dung luận văn tốt nghiệp gồm các chƣơng sau  Chƣơng I: Tổng quan hệ thống thông tin quang.  Chƣơng II: Các công nghệ khuếch đại quang sợi.  Chƣơng III: Phân tích các đặc tính, tham số kỹ thuật và ứng dụng của bộ khuếch đại quang sợi EDFA.  Chƣơng IV: Kết luận. 10
CHƢƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang. Hệ thống thông tin quang cũng nhƣ các hệ thống thông tin khác, thành phần cơ bản của hệ thống đều tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung. Tín hiệu truyền đƣợc phát vào môi trƣờng truyền dẫn và đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Môi trƣờng truyền dẫn của hệ thống thông tin quang ở đây chính là sợi quang, sợi quang thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía nhận. Năm 1960, laser đƣợc sử dụng làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng ánh sáng để truyền thông tin. Thông tin bằng tia laser truyền qua không gian nhƣng bị ảnh hƣởng của thời tiết, máy phát và phải nhìn thấy nhau…nên việc sử dụng bị hạn chế. Năm 1962 xuất hiện laser bán dẫn và cùng với nó, sợi quang đƣợc chế tạo đầu tiên vào năm 1970 làm cho thông tin quang trở thành hiện thực. Ánh sáng từ laser bán dẫn đƣợc ghép vào sợi quang và truyền trong sợi quang theo nguyên lý phản xạ toàn phần nên đã khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của thông tin bằng tia laser. Laser bán dẫn GaAs/GaAlAs phát ở vùng hồng ngoại gần 0.8μm đã đƣợc chế tạo và sử dụng cho thông tin quang sợi trong nhƣng năm 1970. Thập kỷ 80 của thế kỷ trƣớc các hệ thống thông tin quang thế hệ đầu tiên (tốc độ 45 Mbps, khoảng cách lặp 10 km) và hệ thống thông tin quang thế hệ thứ hai sử dụng laser 1310 nm đƣợc đƣa vào hoạt động. Thời gian đầu, tốc độ chỉ đạt 100Mb/s do tán sắc sợi đa mode, khi sợi đơn mode đƣợc đƣa vào sử dụng, tốc độ đƣợc tăng lên rất cao. Năm 1987, hệ thống thông tin quang 1310 nm có tốc độ 1.7 Gbps với khoảng cách lặp 50 km đã có mặt trên thị trƣờng. 11
Thế hệ thứ ba của các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bƣớc sóng 1.55 μm với tốc độ 2.5 Gbps, khoảng cách lặp 60 ÷ 70 km. Khi sử dụng các loại sợi quang bù tán sắc và làm phẳng tán sắc, khoảng cách lặp sẽ đƣợc tăng cao. Thế hệ thứ tƣ của hệ thống thông tin quang là sử dụng khuếch đại quang sợi để kéo dài khoảng cách lặp đồng thời ghép nhiều bƣớc sóng trong một sợi quang để tăng tốc độ truyền dẫn trong sợi quang. Khuếch đại quang sợi pha tạp chất Erbium (EDFA) có khả năng bù công suất cho suy hao quang trong khoảng cách lớn hơn 100km. Hệ thống thông tin quang có EDFA đƣợc thử nghiệm truyền tín hiệu số tốc độ 2.5 Gbps ở khoảng cách 21.000 km và 5 Gbps ở khoảng cách 14.300 km đầu tiên vào năm 1991. Năm 1996 hệ thống thông tin quang quốc tế dƣới biển đã đƣợc lặp đặt, năm 1997 đƣờng cáp quang vòng quanh thế giới dƣới biển dài 27.300 km đƣợc đƣa vào hoạt động kết nối nhiều nƣớc ở châu Âu, châu Á với tốc độ 5  10 Gbps. Công nghệ ghép nhiều bƣớc sóng trên một sợi quang (WDM) làm tăng dung lƣợng truyền dẫn một cách đáng kể. Năm 1996 đã thử nghiệm tuyến truyền dẫn 20 bƣớc sóng quang với tốc độ của từng bƣớc sóng là 5 Gbps qua khoảng cách 9.100 km, tốc độ của tuyến đã đạt 100 Gbps. Hình 1. 1. Hai hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. 12
Thế hệ thứ năm của hệ thống thông tin quang dựa trên cơ sở giải quyết vấn đề tán sắc trong sợi quang. Suy hao trong sợi quang đã đƣợc khuếch đại quang giải quyết rất hoàn hảo nhƣng vấn đề tán sắc vẫn chƣa đƣợc giải quyết. Giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề tán sắc là sử dụng hiệu ứng Soliton quang, hiệu ứng Soliton quang là hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang, dựa trên cơ sở tƣơng tác bù trừ tán sắc của các thành phần quang trong một xung quang cực ngắn đƣợc truyền trong sợi quang không có suy hao. Năm 1994 hệ Soliton thử nghiệm truyền tín hiệu 10 Gbps qua khoảng cách 35.000 km và 15 Gbps qua khoảng cách 24.000km. Năm 1996 hệ thống WDM có 7 bƣớc sóng truyền Soliton trên khoảng cách 9.400km với tốc độ 70 Gbps. Hiện nay, mạng thông tin toàn quang đang đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ nhằm tăng hơn nữa tốc độ thông tin. Các hệ thống thông tin quang đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Chúng đáp ứng đƣợc cả tín hiệu tƣơng tự và số và cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp, băng rộng, đáp ứng mọi nhu cầu của mạng tích hợp dịch vụ số (ISDN). Các tuyến cáp quang đã đƣợc lắp đặt trên thế giới với số lƣợng lớn, đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau và cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều quốc gia lấy cáp quang làm môi trƣờng truyền dẫn chính cho mạng viễn thông, các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu trúc linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao. 1.2 Tổng quan về công nghệ WDM. 1.2.1. Giới thiệu Với việc các dịch vụ thông tin tăng trƣởng ngày càng nhanh, yêu cầu về tốc độ truyền dẫn ngày càng lớn, và chất lƣợng truyền dẫn yêu cầu ngày càng khắt khe hơn. Để thích ứng và thoả mãn các yêu cầu trên, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã đƣợc nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đƣa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ TDM, WDM, OTDM, Soliton. Công nghệ TDM, dung lƣợng hệ thống có thể đạt tới 5 Gbps, tuy nhiên đây cũng là giới hạn dung lƣợng của công nghệ này. Với những gì không đạt đƣợc của 13
hệ thống TDM về mặt dung lƣợng thì hệ thống thông tin quang dựa trên công nghệ WDM lại đáp ứng đƣợc. Hình 1. 2. Hệ thống (mạng) WDM. Công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng quang (WDM - Wavelength Division Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bƣớc sóng khác nhau trên một sợi quang, với dung lƣợng trên mỗi bƣớc sóng quang điển hình là 2,5 Gbps. Số lƣợng ghép thƣờng là 2  16 bƣớc sóng và còn nhiều hơn nữa. Ở phía phát, các bƣớc sóng quang mang thông tin đƣợc ghép trên cùng một sợi quang và đƣợc truyền dẫn tới phía thu. Tại phía thu, các bƣớc sóng ghép đó đƣợc tách ra bằng các bộ tách kênh quang. Trên tuyến truyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù lại suy hao truyền dẫn, công nghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao mà không quá phức tạp. Minh họa cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM: Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn, chỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bƣớc sóng có thể sử dụng là 1500 nm - 1600 nm, tƣơng ứng với dải tần rộng cỡ 15 THz. 14
Hình 1. 3. Sự suy giảm của ánh sáng trong sợi Silic (thạch anh). Sử dụng cho tốc độ truyền dẫn cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này. Có thể thấy dung lƣợng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps là khả thi với hệ thống WDM. Mặt khác, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử nhƣ bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh… Công nghệ OTDM, truyền dẫn Soliton thì dung lƣợng đƣợc đáp ứng rất tốt nhƣng lại quá phức tạp, do đó giá thành hệ thống lại là vấn đề đáng quan tâm. Vì vậy, truyền dẫn WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lƣợng phát triển dịch vụ băng rộng, khai thác triệt để tài nguyên băng thông của sợi quang và thực hiện truyền dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cáp sợi quang cũng nhƣ trong công nghiệp viễn thông. Thực sự, WDM là một công nghệ đáng đƣợc quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi. 15
1.2.2. Quá trình phát triển mạng truyền dẫn. Công nghệ mạng truyền dẫn đã chuyển đổi qua các giai đoạn từ tƣơng tự sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ (PDH) sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sang WDM (ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng). Để kế thừa và tƣơng thích hoàn toàn với công nghệ trƣớc (cũ) thì công nghệ chuyển mạch sau (mới) phải thích hợp với công nghệ truyền dẫn trƣớc. Công nghệ PCM có chuyển mạch (nối chéo) ở mức 64 Kbps, truyền dẫn ở mức 2 Mbps; PDH nối chéo ở mức 2 Mbps, truyền dẫn ở mức 140 Mbps; SDH thì nối chéo ở mức 155 Mbps, truyền dẫn ở mức 10 Gbps. Còn với công nghệ WDM chƣa xác định đƣợc cụ thể nhƣng theo dự đoán thì tốc độ chuyển mạch cơ sở khoảng 300 Gbps tƣơng ứng với dung lƣợng truyền dẫn 10 Tbps. Trong tƣơng lai, công nghệ WDM sẽ phải phát triển hơn và có lẽ đƣợc kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang nhƣ ghép kênh theo thời gian (OTDM) và chuyển mạch gói quang cùng với các trạm lặp quang 3R để mở rộng độ trong suốt của mạng và tiến tới mạng toàn quang (photonic). SONET level Electrical level Line Rate (Mb/s) SDH equivalent OC-1 STS1 51.84 - OC-3 STS-3 155.52 STM-1 OC-12 STS-12 622.08 STM-4 OC-24 STS-24 1244.16 STM-8 OC-48 STS-48 2488.32 STM-16 OC-96 STS-96 4976.64 STM-32 OC-192 STS-192 9953.28 STM-64 Bảng 1.1. Các giá trị của OC-N và STM-M. Để xây dựng đƣợc một mạng truyền dẫn photonic khả thi và có lợi về kinh tế, ngoài thách thức ban đầu về công nghệ đƣờng truyền quang chất lƣợng cao, các bộ nối chéo, các nút chuyển mạch quang thì còn cần phải vƣợt qua thách thức về cấu trúc mạng. Yêu cầu quan trọng nhất của một mạng truyền dẫn là nó cần có cấu 16
trúc tốt, yêu cầu này cũng đƣợc thực hiện tƣơng tự nhƣ của các mạng SDH. Các thành phần cấu trúc sơ bản đó là các topo Ring và Mesh và có thể kết hợp (Ring, Mesh), phân cấp đa Ring vv. Cần có sự giám sát mạng trong quá trình xây dựng mạng. Trong quá trình khai thác chắc chắn sẽ gặp các sự kiện đƣợc tiên đoán trƣớc, các sự kiện không đƣợc xác định trƣớc và đôi khi không mong muốn. Do đó, cần phải có hệ thống báo hiệu và giám sát cho mạng. Có rất nhiều vấn đề cần phải đƣợc đề cập trong mạng WDM so với SDH nhƣ giám sát tỷ lệ lỗi bít quang, rõ ràng làm cho hoạt động của mạng WDM dễ dàng hơn, cần có các tiêu chuẩn về mào đầu và báo hiệu để phát triển các thiết bị mạng WDM. Thách thức quan trọng cần phải vƣợt qua tiếp theo là phát triển một mô hình thông tin hiệu quả để trích xuất và xử lý tất cả các trƣờng thông tin nhận từ mạng. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng áp dụng cách tiếp cận mô hình phân lớp đƣợc phát triển cho mạng SDH đã nảy ra một số vấn đề đối với mạng WDM , nhiều hiệu ứng vẫn chƣa đƣợc xác định rõ là các thách thức mới cho nghiên cứu. 1.2.3. Công nghệ WDM. 1.2.3.1. Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ WDM. So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ƣu điểm nổi trội:  Dung lƣợng truyền dẫn lớn. - Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh ứng với một tốc độ (TDM). Do đó hệ thống WDM có dung lƣợng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM. Hiện nay, hệ thống WDM thử nghiệm thành công với 80 bƣớc sóng với mỗi bƣớc sóng mang tín hiệu TDM 2,5 Gbps, tổng dung lƣợng hệ thống sẽ là 200 Gbps, trong khi đó hệ thống TDM tốc độ mới chỉ đạt tới STM-256 (40 Gbps).  Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng nhƣ những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao. 17
- Không giống nhƣ TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lƣu lƣợng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bƣớc sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh thấp. Dẫn đến giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn nhƣ tán sắc… nên các thiết bị TDM tốc độ cao không phức tạp.  Linh hoạt trong việc nâng cấp dung lƣợng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động. - Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lƣợng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang hay cáp mới. Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trƣờng mới đó là thuê kênh quang (hay bƣớc sóng quang) không nhất thiết phải thuê sợi hoặc cáp quang. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động.  Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt. - Do việc định tuyến và phân bổ bƣớc sóng trong mạng WDM nên nó có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ làm việc của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại.  Giảm chi phí đầu tƣ mới. Bên cạnh những ƣu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những trở ngại cho công nghệ này.  Dung lƣợng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần của sợi. - Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lƣợng nhƣng nó cũng chƣa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù công nghệ còn phát triển nhƣng dung lƣợng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn.  Chi phí khai thác và bảo dƣỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn. 18