1
bộ giáo dục và đào tạo
viện đại học mở hà nội
luận văn thạc sĩ
ngành: điện tử viễn thông Đề tài:
hệ thống truyền dẫn quang
tốc độ cao
Ngời hớng dẫn khoa học: GS.TS Trần Đức Hân
Học viên: Trần trung hiếu
2
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn "Hệ
thống truyền dẫn quang tốc độ cao" đợc viết dựa trên kết quả
nghiên cứu theo đề cơng bởi cá nhân tôi dới sự hớng dẫn của
GS. TS Trần Đức Hân. Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều
đợc trích dẫn đầy đủ nguồn và sử dụng theo đúng luật bản quyền
quy định. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn
của mình.
Học viên cao học Trần Trung Hiếu
2.2.3. Bù tán sắc trong hệ thống quang tốc độ cao 32
2.2.4. Bù tán xạ mode phân cực 33
2.2.5. Sợi quang dùng trong hệ thống 160Gb/s 34
2.3. Bộ khuếch đại trong hệ thống 160Gb/s 35
2.3.1. Khuếch đại quang sợi pha đất hiếm 35
2.3.2. Khuếch đại quang sợi Raman 36 4
2.3.3. Khuếch đại quang tham số 36
2.3.4. Khuếch đại quang bán dẫn chấm lợng tử 37
Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn quang tốc
độ cao 38
3.1. Máy thu quang 38
3.1.1. Giới thiệu 38
3.1.2. Hệ số phẩm chất 39
3.1.3. Nhiễu máy thu 41
3.1.4. Kết quả mô phỏng 43
3.1.5. Độ nhạy máy thu 44
3.1.6. Giới hạn hệ số phẩm chất 47
3.2. Khuếch đại đờng truyền 49
3.2.1. Khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) 49
3.2.1.1. Nguyên tắc hoạt động của EDFA 50
3.2.1.2. Phân tích nhiễu trong đờng truyền dùng EDFA 51
3.2.2. Khuếch đại Raman 54
3.3. Một số hệ thống truyền dẫn 160Gbps và 40Gbps 57
3.3.1. Hệ thống 10Gbps 58
3.3.2. Hệ thống 40Gbps 59
3.3.3. Hệ thống 160Gbps 59
Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao 62
6
danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn quang 14
Hình 1.2. Hoạt động bộ điều chế dữ liệu 15
Hình 1.3. Sơ đồ máy thu và máy phát dùng ghép kênh quang 18
Hình 1.4. Nguyên tắc bộ hấp thụ bo hoà 19
Hình 1.5. Lới sử dụng tần số trong hệ thống WDM do ITU quy định 22
Hình 1.6. Các vấn đề trong thực hiện hệ thống tốc độ cao 23
Hình 2.1. Hệ thống OTDM 29
Hình 2.2. Cấu hình cơ bản của trạm lặp toàn quang 3R 30
Hình 3.1. Cấu trúc bộ thu quang 38
Hình 3.2. Tín hiệu điện sau khi qua bộ tách sóng quan và xác suất
mật độ Gaussian 40
Hình 3.3. Mô phỏng nhiễu theo công thức trung bình với các giá trị tiền
khuếch đại khác nhau. B
0
= 80GHz, B
e
= 40GHz, OSNR = 30dB trong băng
Hình 3.10. OSNR (trong băng thông 0.1nm) theo công suất trung bình và chặng
truyền dẫn (suy hao 20dB mỗi chặng). OSNR đầu vào là 40dB trong 0.1nm 53
Hình 3.11. OSNR (trong 0.1nm) theo cự ly truyền với 3 chiều dài mỗi chặng khác
nhau. OSNR đầu vào là 40dB trong 0.1nm. OSNR yêu cầu để Q = 6 là 25dB 54
Hình 3.12. Phổ khuếch đại Raman 56
Hình 3.13. Khuếch đại Raman 57
7
Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn 58
Hình 3.15. Hệ thống khuếch đại 2 tầng EDFA 60
Hình 3.16. Hệ số phẩm chất Q theo cự ly truyền với công suất trung bình
0dBm và OSNR tại máy phát là 35dB 61
Hình 4.1. Biến đổi xung do tán sắc tích luỹ (độ rộng xung ban đầu 2.5ps) 65
Hình 4.2. Hệ thống truyền dẫn N chặng, lợng bù tán xạ trớc D
pre
và tán xạ
d mỗi chặng D
res
70
Hình 4.3: (a) Công suất truyền trong chiều dài sợi quang (b) mô hình tơng
danh mục bảng biểu
Bảng 1.1. Thông số sợi quang 17
Bảng 1.2. Giới hạn lý thuyết của cự ly truyền theo PMD 17
Bảng 2.1. Nguồn xung quang tốc độ cao 28
Bảng 2.2. Hiệu quả phổ của NRZ 31
Bảng 3.1. Giới hạn Q theo OSNR (dB) của bộ lọc điện băng thông 28GHz 48
Bảng 3.2. Giới hạn Q theo OSNR (dB) của bộ lọc điện
băng thông 112GHz 48
Bảng 4.1. Công suất bù theo hàm của tán xạ tích luỹ 66
Bảng 4.2. Thông số các sợi quang và sợi bù tơng ứng 69
9
Lời nói đầu
Các hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày nay là thành phần chính của
các mạng mặt đất và trên biển với cự ly xa. Đó là kết quả của rất nhiều nghiên
cứu và giải pháp hiện nay vẫn đang đợc tiếp tục.
Các hệ thống thông tin quang đầu tiên đợc lắp đặt trong những năm 80
với tốc độ bít vài Mbps đến 560Mbps. Dung lợng của các hệ thống này tơng
lý bù tán sắc và chống lại các hiệu ứng phi tuyến nh SPM, XPM, và FWM là
rất quan trọng. Luận văn cũng đa ra phơng pháp bù tán sắc tối u để đảm
bảo hạn chế đợc ảnh hởng của các hiệu ứng phi tuyến.
Nội dung cụ thể gồm các chơng sau:
Chơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM
Chơng 2: Tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao
Chơng 3: Đánh giá ảnh hởng của nhiễu trong tuyến truyền dẫn
quang tốc độ cao
Chơng 4: ảnh hởng của tán sắc và bù tán sắc trong hệ thống tốc độ cao
Chơng 5: Mô phỏng tính toán cho tuyến truyền dẫn quang tốc độ cao
Mặc dù đ có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành đề
tài song do trình độ và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những sai sót,
rất mong nhận đợc ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, chuyên gia
chuyên ngành, đồng nghiệp, em xin chân thành cảm ơn!.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Học viên Trần Trung Hiếu
11
thuËt ng÷ viÕt t¾t
APD : Avalanche Photodiode
ASE : Amplified Spontaneous Emission
SNR : Signal to Noise Rate
SMF : Single Mode Fiber
SPM : Self Phase Modulation
SRS : Stimulated Raman Scattering
TL : Teralight
RZ : Return to Zero
WDM : Wevelength Division Multiplexing
XPM : Cross Phase Modulation 13
Tóm tắt luận văn
chung gồm những thành phần sau.
Hình 1.1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn quang
Có thể thấy trên hình trên phần phát quang gồm 3 khối: khối tạo dữ liệu
cần truyền đi thờng là tín hiệu điện và cần phải chuyển thành tín hiệu quang.
Dữ liệu này đợc m hoá quang bằng nhiều phơng pháp khác nhau. Cách
thông dụng nhất là m hoá NRZ và RZ. Bộ điều chế quang điện là thành phần
quan trọng trong máy phát quang, nó sẽ điều chế tín hiệu quang đầu vào theo
biên độ của tín hiệu dữ liệu vào nh minh hoạ trên hình 1.2.
Sử dụng kỹ thuật WDM sẽ tăng đợc dung lợng truyền dẫn. Một số
kênh bớc sóng đợc ghép vào một sợi quang. Tất cả các kênh có độ rộng phổ
bằng nhau và đợc đặc trng bằng khoảng cách kênh và hiệu quả ghép kênh
đợc xác định bằng tỷ số: 15
Channel _ bit _ rate
Spectralefficiency
Channel _Spacing
=Hình 1.2. Hoạt động bộ điều chế dữ liệu
Một đờng truyền gồm một số chặng chia cách bằng các vị trí đặt bộ
khuếch đại. Độ dài mỗi chặng trong các hệ thống truyền dẫn mặt đất khoảng
80 đến 100km.
Các bộ khuếch đại có 2 chức năng chính là bù suy hao và bù tán xạ trên
đờng truyền. Các bộ khuếch đại này có thể là các bộ khuếch đại pha tạp
Nhân tố chính trong việc tăng tốc độ bit là sợi quang. Sợi quang thông
dụng nhất là G652 có tên là SSMF (sợi quang đơn mode tiêu chuẩn). Sợi
quang này có tán sắc lớn là 17ps/nm.km ở bớc sóng 1550nm. Các thông số
chính của các sợi quang dùng trong thông tin quang đợc cho trên bảng 1.2
Tất cả các vấn đề truyền lan sóng ánh sáng trong hệ thống WDM tốc độ
cơ sở 10Gbps sẽ càng mạnh lên trong hệ thống 40Gbps và càng nghiêm trọng
hơn ở tốc độ 160Gbps. Khả năng chịu tán sắc trong hệ thống 10Gbps là
1000ps/nm (tơng ứng với 60km sợi G652) nhng với hệ thống 40Gbps chỉ là
60ps/nm (chỉ 4km sợi G652). Tán sắc sợi quang trong đờng truyền thờng
đợc bù bằng sợi bù tán sắc (DCF). Một số loại DCF có thể phù hợp với độ dốc
tán sắc của các sợi quang trên đờng truyền khác nhau. Suy hao của các sợi bù
tán sắc này lớn hơn sợi quang sử dụng trên đờng truyền. Tại bớc sóng
1550nm, suy hao tín hiệu khoảng 0.6dB/km trong khi với sợi quang dùng trên
đờng truyền là 0,2dB/km. Gần đây có thiết bị bù toàn bộ tán sắc bậc 2 và bậc 3
cho tất cả các sợi có tên là HOM (khối mode bậc cao) với suy hao thấp hơn. 17
Do yêu cầu bù tán sắc với độ chính xác cao hơn nên đ xuất hiện các
thiết bị bù tán sắc tự động. Bộ bù tán sắc có khả năng điều chỉnh độ dốc tán
sắc cho băng C và băng L (từ 1525 đến 1610nm) đ thành công năm 2002.
Hng Teraxion cũng đ thiết kế một số linh kiện dùng các tử Bragg trong sợi
quang có khả năng điều chỉnh bù tán sắc trên một số kênh bớc sóng có giá trị
từ -300 đến -2700 ps/nm.
Bảng 1.1. Thông số sợi quang
Loại sợi quang
Tán xạ
ps/nm.km
Độ dốc tán xạ
ps/nm
= = =
Bảng 1.2 là các giới hạn cự ly truyền dẫn tiêu biểu theo giá trị PMD
trung bình của sợi quang trên đờng truyền với tốc độ bít khác nhau.
Bảng 1.2. Giới hạn lý thuyết của cự ly truyền theo PMD
G652A(ITU
recommendation)
G652D (ITU
recommandation)
Good fibre in
laboratory
Fibre in
field
PMD(ps/
km
)
0,5 0,2 0,04 0,08
10Gbit/s 900km 5625km 140000km 35000km
40 Gbit/s 56km 350km 8800km 2200km
160 Gbit/s 4 km 22 km 550 km 140 km
Khả năng chịu đựng với PMD là một trong những yếu tố then chốt để
19
cơ sở trong các hệ thống WDM. Phơng pháp này cũng giúp làm tăng hiệu
quả phổ và giảm giá thành truyền dẫn.
Vấn đề là khi tăng tốc độ bít cơ sở lên 40Gbps và cao hơn, khả năng
chịu đựng với các hiệu ứng tán sắc hoặc tán xạ mode phân cực giảm. Để mở
rộng cự ly truyền dẫn ở tốc độ 40Gbps với cùng chất lợng truyền cần thêm
một số chức năng động.
Các thiết bị thích hợp ra đời để bù PMD. Hiện nay, các bộ bù này bù cho
từng kênh và cần tách kênh bớc sóng dẫn đến giá thành cao hơn rất nhiều. Mục
đích trong tơng lai sẽ có các thiết bị xử lý cho toàn bộ kênh trớc sóng WDM.
Một chức năng quan trọng trong thông tin quang là các trạm lặp.
Alcatel đ đa ra trạm lặp toàn quang dựa trên bộ hấp thụ bo hoà tốc độ
40Gpbs vào tháng 3/2002. Khoảng cách truyền dẫn có thể tăng từ 1300km lên
7600km cho kênh truyền dẫn một bớc sóng và 2200km cho hệ thống WDM
5 kênh có khoảng cách kênh 200 GHz.
Hình 1.4. Nguyên tắc bộ hấp thụ bão hoà
1.3. Các thông số truyền dẫn quang cơ bản
Phần này giới thiệu và định nghĩa các thông số phổ biến liên quan đến
hệ thống thông tin quang.
1.3.1. Bớc sóng, tần số và khoảng cách kênh
Khi nói dến các tín hiệu WDM là chúng ta đang nói về bớc sóng hoặc
tần số của các tín hiệu này. Bớc sóng
và tần số f liên hệ với nhau qua công
thức: c = f
.
Trong đó c là tốc độ của ánh sáng trong không gian tự do và bằng 3 x
10
12
Hz). Sử dụng c = 3 x 10
8
m/s, một bớc sóng 1.55
à
m sẽ tơng ứng
với một tần số xấp xỉ 193 THz hay 193 x 10
12
Hz.
Một số thông số đợc quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng
cách giữa hai bớc sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM. Khoảng cách
kênh có thể đợc đo bằng đơn vị của bớc sóng hoặc tần số. Mối liên hệ giữa
hai đại lợng có thể đạt đợc bắt đầu từ phơng trình f = c /
.
Lấy vi phân phơng trình này quanh một giá trị trung tâm
0
, ta đợc
mối liên hệ giữa khoảng cách tần số
f và khoảng cách bớc sóng là
là:
f = -c.
/
0
xỉ 25Ghz. Lu ý rằng băng thông tín hiệu cần đủ nhỏ hơn khoảng cách kênh,
nếu không ta sẽ gặp các nhiễu không mong muốn giữa các kênh kế nhau và
méo của chính tín hiệu.
1.3.2. Các tiêu chuẩn bớc sóng
Các hệ thống WDM ngày nay chủ yếu sử dụng vùng bớc sóng 1.55
à
m vì hai lý do: mất mát vốn có trong sợi quang thấp nhất ở vùng này, và các
bộ khuếch đại sẵn có trong vùng đó. Các bớc sóng và tần số đợc sử dụng
trong các hệ thống WDM đợc tiêu chuẩn hoá trên một lới tần số bởi Hiệp
hội Viễn thông Quốc té (ITU). Nó là một lới vô tận tập trung ở 193.1 THz,
một phần của nó đợc chỉ ra trong hình 1.4. ITU quyết định tiêu chuẩn hoá
mạng lới trong miền tần số dựa vào các khoảng cách kênh tơng đơng
50GHz hoặc 100GHz. Quan sát thấy rằng nếu nhiều kênh đợc cách đều nhau
theo bớc sóng, thì sẽ không cách đều một cách chính xác trong miền tần số
và ngợc lại. 22
Hình 1.4. Lới sử dụng tần số trong hệ thống WDM do ITU quy định
Ngày nay, ta đang bắt đầu thấy những hệ thống sử dụng các khoảng
cách kênh 25GHz và nhiều băng truyền dẫn đợc sử dụng. Các hệ thống
WDM trớc đây sử dụng băng C (xấp xỉ 1530-1565nm). Sử dụng băng L có
bớc sóng dài (xấp xỉ 1565-1625nm gần đây với sự phát triển của các bộ
khuếch đại quang trong dải này. Nó đợc chứng minh rằng khó đạt đợc sự
thoả thuận từ những nhà sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ WDM khác
nhau trên những tiêu chuẩn bớc sóng cụ thể hơn. Các nhà sản xuất WDM
khác nhau dùng các phơng pháp khác nhau để tối u những thiết kế hệ thống
của họ, vì thế kế hoạch hội tụ tại một bớc sóng là điều khó khăn. Tuy nhiên,
tiêu chuẩn của ITU đ giúp tăng cờng sự triển khai các hệ thống này.
suất bị giảm. ở đầu cuối của đờng truyền, ta giả sử công suất nhận đợc là
P
r
. Thì mất mát T của đờng truyền đợc định nghĩa là T = P
r
/P
t
. Trong đơn vị
dB, ta sẽ có:
(T)dB = 10logT = (P
r
)dBm - (P
t
)dBm
Lu ý rằng dB đợc dùng để chỉ các giá trị tơng đối, trong khi đó dBm
và dBW đợc dùng để chỉ các giá trị công suất tuyệt đối.
Ta thờng đo mất mát trong sợi quang bằng đơn vị dB/km. Ví dụ một
tín hiệu đợc truyền qua 120km sợi quang với mất mát 0.25dB/km thì sẽ bị
suy hao 30dB.
1.4. Những giải pháp nâng cao tốc độ truyền dẫn quang
Có rất nhiều vấn đề cần giải quyết để thực hiện các hệ thống tốc độ cao.
Có thể tóm tắt trên hình 1.5. Hình 1.5. Các vấn đề trong thực hiện hệ thống tốc độ cao
a. Máy thu/phát
Tạo ra các linh kiện quang điện tốc độ cao dùng trong các máy thu phát
là một nhiệm vụ quan trọng cần thực hiện để tạo ra và thu lại các tín hiệu
PMD của sợi quang và của bộ khuếch đại quang nên cần dùng kỹ thuật bù PMD.
Copyright: Tài liệu đại học ©