Đồ án
Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM.
1
MỞ ĐẦU WDM có khả năng cung cấp dung lượng truyền dẫn lớn bằng cách ghép nhiều
bước sóng trên cùng sợi cáp, mỗi bước sóng được coi như một liên kết vật lý giữa
các nút mạng. Theo cách này, dung lượng truyền dẫn của liên kết sẽ tăng tỷ lệ với
số bước sóng ghép trên liên kết đó, nhưng giải pháp này vẫn không đủ để giải
quyết vấn đề nghẽn cổ chai trong mạng khi lưu lượng bùng nổ.
Tuỳ thuộc vào độ lớn của mạng WDM, tổn thất lưu lượng do sự cố xảy ra trong
các thành phần của mạng cũng có mức độ nghiêm trọng khác nhau. Để khắc phục
vấn đề này, nhiều giải pháp đã được nghiên cứu trong đó có phương thức bảo vệ
và phương thức khôi phục. Phương thức bảo vệ cho phép mạng hồi phục rất
nhanh nhờ chuyển lưu lượng trên luồng quang hoạt động bị gián đoạn thông tin
sang luồng quang dự phòng, các luồng dự phòng này đã được chuẩn bị từ trước
hình mạng thoả mãn yêu cầu QoR.
Trong phạm vi khuôn khổ có hạn, bài luận được tổ chức như sau:
- Chương 1 giới thiệu về nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM.
- Chương 2 trình bày sơ lược về mạng quang định tuyến theo bước sóng hiện
đang được ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn. Trong đó đề cập đến
các phần tử cấu thành, cũng như trình bày về các vấn đề liên quan đến việc
định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM.
- Chương 3 giới thiệu về cơ chế bảo vệ nâng cao độ an toàn trong mạng
quang.
- Chương 4 giới thiệu chỉ tiêu chất lượng tin cậy dựa trên mô hình thời gian
khôi phục cực đại, xây dựng bài toán thiết kế mạng đảm bảo an toàn và
trên cơ sở đó đề xuất thuật toán giải bài toán định tuyến và gán bước sóng
trong mạng WDM thoả mãn QoR yêu cầu
Các kết quả của bài luận góp phần vào việc giải quyết vấn đề đang nổi lên, đó là
xây dựng cấu hình mạng thoả mãn tiêu chuẩn tin cậy cho trước và hy vọng kết
quả này có thể áp dụng vào thực tế trong tương lai. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC
SÓNG WDM
1.1. Sự phát triển của truyền dẫn sợi quang.
Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và đã đáp ứng được nhu
cầu truyền đưa các dịch vụ hiện tại. Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu
điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp,
tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật... đã ngày càng được nghiên
cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi.
Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang
nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất. Những vùng này,
thường được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao. Ban
[3] Lớp kênh quang xử lý toàn trình mạng và vận chuyển một cách trong suốt các
tín hiệu khách hàng dưới nhiều khuôn dạng khác nhau (SDH, ATM, IP....) Lớp
này có các chức năng sau:
Lớp khách hàng (SONET/SDH), PDH...
Lớp kênh quang (OCH)
Lớp đoạn ghép kênh quang (OMS)
Lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS)
Giao diện quang
Lớp quang
5
• Sắp xếp lại các kết nối kênh quang để việc định tuyến trong mạng mềm
dẻo.
• Giám sát kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai thác và
quản lý ở mức mạng, chẳng hạn cung cấp kết nối, chất lượng dịch vụ
QoS....
Lớp đoạn ghép kênh quang tương ứng với một liên kết điểm-điểm trên tuyến của
1 kênh quang (bước sóng) và có các chức năng sau:
• Xử lý phần mào đầu đoạn để đảm bảo tính toàn vẹn của các thông tin đoạn
ghép kênh quang.
• Giám sát đoạn ghép kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai
thác và quản lý ở mức đoạn, chẳng hạn nâng cao an toàn đoạn ghép kênh.
Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS tương ứng với chức năng truyền dẫn các tín hiệu
quang khác nhau trên phương tiện truyền dẫn quang.
1.2.2. Nguyên lý ghép bước sóng
a. Khái niệm
Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật truyền dẫn cơ bản để tạo nên mạng
quang. Kỹ thuật này sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh
quang độc lập và riêng rẽ. Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi.
Sự khác biệt là ở chỗ hệ thống WDM truyền dẫn đồng thời nhiều kênh quang qua
sợi trong khi hệ thống TDM chỉ truyền dẫn duy nhất có một kênh. Chúng ta có thể
xem hệ thống WDM như là nhiều hệ thống TDM song song dùng chung sợi
quang và thiết bị.
Về cơ bản thành phần quang của hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn
phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ
EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tương
ứng với phía phát. Mỗi phần tử trên đây của hệ thống đều thực hiện những chức
năng xác định một cách chính xác.
Như chúng ta đã biết hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tương tác, nghĩa là
tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hướng đi) và nhận về tín hiệu
về (hướng về). Trong hệ thống WDM, tính tương tác sẽ được thực hiện qua môi
trường sợi quang. Người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu:
- Hệ thống ghép bước sóng một hướng: Sử dụng mỗi sợi quang cho từng
hướng truyền dẫn.
Hình 1.4. Hệ thống ghép bước sóng một hướng
- Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: Sử dụng một sợi quang chung cho cả
hai hướng truyền dẫn.
Hình 1.5.Hệ thống ghép bước sóng hai hướng
c. Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu
điểm nổi trội:
Tx1
Tx2
TxN
7
- Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh
quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM). Do đó hệ thống
WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM.
Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu
TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử
nghiệm thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit
mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s).
- Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống
TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu
khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín
hiệu ứng với một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh
quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số
truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị
TDM tốc độ cao.
- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả
khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung
lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới
(hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê
kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp. Việc nâng
cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt
động (plug-n-play).
- Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và
linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho
phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ
mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc
thiết kế lại mạng hiện tại.
- Giảm chi phí đầu tư mới.
Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay
bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:
giải quyết được vấn đề trôi bước sóng.
- Laser đa bước sóng: Một trong những yêu cầu của mạng quang tương lai là
khả năng đáp ứng nhanh đối với những nguồn khả chỉnh. Để thực hiện điều
này có thể tích hợp nhiều Laser có bước sóng khác nhau trên cùng một nền.
Do đó kiểu Laser này cho phép hoạt động đồng thời với nhiều bước sóng
và có khả năng điều chỉnh rất nhanh (bằng cách lựa chọn bước sóng phát).
b. Các loại nguồn phát được sử dụng hiện nay
Nguồn phát quang thường được sử dụng hiện nay là điode phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD).
1.2.3.2.Phần tử tách ghép bước sóng
Các phần tử tách ghép bước sóng có các tham số cơ bản sau:
- Bước sóng trung tâm: Đối với cách tử là bước sóng tại trung tâm của băng
phản xạ, còn đối với các bộ lọc là bước sóng nằm giữa hai bước sóng ở 2
cạnh của băng.
- Băng tần: Băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ đối với cách tử và
dải bước sóng lọc đặc trưng bởi khoảng cách (theo thiết kế) giữa các cạnh
bộ lọc.
- Đỉnh phản xạ: Đỉnh phản xạ định nghĩa cho cách tử, tương ứng lượng ánh
sáng phản xạ tại bước sóng trung tâm
- Bước sóng danh định: Bước sóng danh định sử dụng cho bộ lọc, được qui
định từ nhà sản xuất. Bước sóng trung tâm thực tế thường là khác bước
sóng này
9
- Suy hao xen: Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn
quang do sự xuất hiện của các bộ ghép bước sóng. Lượng tổn hao này gồm
hai loại:
• Suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối giữa bộ ghép bước sóng với các
phần tử quang điện
• Tổn hao do chính bản thân các bộ ghép bước sóng
Trong WDM thì tổn hao do ghép nối chiếm ưu thế đặc biệt khi sử dụng các
−=
)(
)(
log10
ii
i
i
I
O
L
λ
λ
[dB] (1.2)
−=
)(
)(
log10
i
ii
cận. Sự xuyên kênh này làm tăng nền nhiễu của kênh tín hiệu dẫn đến giảm
tỷ số S/N.
Nguyên nhân gây ra xuyên kênh là do :
• Phổ của kênh này lọt vào băng thông của kênh kia (khi ta coi đặc tính
của bộ lọc bước sóng và bộ cách ly là hoàn hảo)
• Do chính đặc tính (sự không hoàn hảo) của các bộ chọn lọc bước sóng
hay các bộ cách ly quang
• Do phản xạ hay hội tụ xảy ra không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản
mát
10
• Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa các công suất quang cao vào
sợi quang như: hiệu ứng SRS, SBS, FWM, XPM
Khả năng để tách các kênh cũng được mô tả bằng suy hao xuyên kênh và
được tính bằng dB như sau:
−=
)(
)(
log10)(
k
ki
ki
I
U
D
) sinh ra U
i
(
λ
k
), thường xảy ra trong hệ thống ghép bước
sóng hai hướng
- Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho
mỗi kênh. Độ rộng phổ này phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn được nhiễu
giữa các kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn quang.
1.2.3.3.Sợi quang
a. Sợi SMF (theo ITU G.652)
Bảng 1.1. Các tham số của sợi SMF
Các tham số Giá trị
Đường kính trường mode tại 1310 nm
(9 ÷ 10 µm) ± 10%
Đường kính vỏ phản xạ
125 ± 3 µm
Độ đồng tâm của trường mode tại bước
sóng 1550 nm
≤ 1 µm
Độ không tròn đều của trường mode
Rất nhỏ, không ảnh hưởng đến lan truyền và
đấu nối tín hiệu
Độ không tròn đều của vỏ phản xạ
≤ 2%
Suy hao uốn cong ở bước sóng 1550 nm
≤ 1 dB khi uốn cong 100 vòng với bán kính
uốn cong 37.5 mm
Hệ số suy hao
Suy hao do uốn cong ở 1550nm
≤ 0.5dB khi uốn 100 vòng với bán kính uốn
cong 37.5 mm
Hệ số suy hao
< 0.35 dB/km ở vùng 1550nm
< 0.5 dB/km ở vùng 1300nm
Hệ số tán sắc
≤ 3.5 ps/nm.km trong vùng 1525-1575nm
Tán sắc mode phân cực
Loại sợi này đặc biệt phù hợp với các hệ thống đơn kênh, cự ly dài, dung lượng
lớn. Tuy nhiên loại sợi này được khuyến nghị là không sử dụng cho các hệ thống
WDM. Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nâng cấp tăng
dung lượng bằng kỹ thuật WDM thì phải chọn vùng bước sóng có tán sắc đủ lớn
để tránh hiệu ứng FWM. Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ
thống.
b. Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655)
Bảng 1.3. Các tham số của sợi NZ-DSF
Các tham số Giá trị
Đường kính trường mode tại 1550nm
(8 ÷11) µm ± 10%
Đường kính vỏ phản xạ
125 µm ± 2µm
Độ đồng tâm của trường mode tại 1550nm
≤ 1µm
Của trường mode
Rất nhỏ và không ảnh hưởng đến lan
truyền tín hiệu và đấu nối sợi
Độ không
tròn đều
bằng dòng photo đầu ra của thiết bị (đơn vị là A) chia cho công suất quang
đầu vào (đơn vị là W). Đối với một photodiode silic thì độ đáp ứng điển
hình ở bước sóng 900nm là 0,44.
b. Photodiode thác (APD)
Dạng cơ bản của một APD là một photodiode PIN có thế hiệu ngược rất lớn
(thường khoảng 50V).
Các tham số quan trọng của APD:
- Độ nhạy
- Tốc độ hoạt động
- Tích độ tăng ích và băng tần
- Nhiễu
1.2.3.5.Khuếch đại quang
Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng
cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn. Khuếch đại trong các hệ thống WDM
đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các
yêu cầu về đặc tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với
hệ thống đơn kênh. Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ
yếu tập trung vào hai loại sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại
quang sợi (AFA). Tuy nhiên, các phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm
kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh như: độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức
độ phụ thuộc phân cực nên trong các ứng dụng ngày nay khuếch đại quang sợi đã
trở thành độc tôn. Công nghệ khuếch đại quang sợi đã gặt hái được rất nhiều
thành công và đến nay nó được đánh giá là công nghệ trụ cột trong tương lai của
mạng quang.
AFA bao gồm một Laser bơm, một bộ ghép kênh WDM và đoạn sợi quang tích
cực. Sợi quang tích cực được cấy ghép vật liệu đặc biệt cho phép khuếch đại dòng
photon đi qua nếu bơm công suất tại một bước sóng nào đó. Với bước sóng
1550nm thì những bộ khuyếch đại Erbium đạt được giá trị khuếch đại 25dB và
công suất đầu ra lớn nhất vào khoảng 10dB, những bộ khuếch đại như thế này đã
xuất hiện nhiều trên thị trường trong thời gian gần đây với tên gọi (EDFA). Với
thống.
Bởi vậy yêu cầu đặc tính khuếch đại của EDFA phải đồng nhất, nghĩa là
đường đặc tính phổ càng phẳng càng tốt.
- Dao động mức công suất chuyển tiếp: Trong hệ thống WDM khi tải thay
đổi đột ngột sẽ dẫn đến sự thay đổi công suất. Các bộ khuếch đại thường
làm việc ở trạng thái bão hoà do đó chỉ có một lượng năng lượng vừa đủ
trong trạng thái Erbium mức trên đối với hoạt động rất ngắn. Khi dừng
bơm một lượng công suất tín hiệu đầu vào nhỏ cũng sẽ làm mất tác dụng
hiện tượng nghịch chuyển (xảy ra cực nhanh khoảng 100µs) trong bộ
khuếch đại. Bởi vậy lượng năng lượng tích trữ trong linh kiện này vô cùng
nhỏ so với năng lượng chuyển qua nó. Điều này nghĩa là độ khuếch đại của
bộ khuếch đại thay đổi rất nhanh theo sự thay đổi của hệ thống (chẳng hạn
như trường hợp mất một kênh tín hiệu).
14
- Nhiễu của bộ khuếch đại: Nguồn nhiễu chủ yếu trong bộ khuếch đại sinh ra
bởi hiện tượng phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE). ảnh hưởng của
nhiễu này không đáng kể khi số lượng bộ khuếch đại trên tuyến nhỏ. Tuy
nhiên khi số lượng bộ khuếch đại lớn ASE tác động trực tiếp đến giá trị
OSNR.
- Ảnh hưởng phân cực: Ảnh hưởng phân cực trong EDFA là rất nhỏ và có
thể bỏ qua đối với hệ thống truyền dẫn khoảng cách ngắn. Tuy nhiên, trong
hệ thống cự ly dài ảnh hưởng này sẽ được tích luỹ qua từng bộ khuếch đại
trên đường truyền và tác động trực tiếp đến chỉ tiêu hệ thống (OSNR). Có
ba ảnh hưởng phân cực khác nhau trong bộ khuếch đại:
Khuếch đại phụ thuộc phân cực (PDG): khi bộ khuếch đại hoạt động ở
trạng thái bão hoà, tín hiệu bị phân cực sẽ được khuếch đại cao hơn ở
trục trực giao. Điều này do bởi các phân tử Erbium riêng rẽ có xu
hướng tạo lase theo một cực nào đó hơn so với các cực khác tuỳ thuộc
hướng của chúng trong vật liệu thuỷ tinh. Trong hệ thống WDM ảnh
hưởng của PDG bị giảm đi đáng kể do sự hiện diện của nhiều kênh.
kmdBdBmdBm /
)()0(
α
=−
(1.5)
trong đó
α
dB/km
là suy hao của sợi cáp, tính bằng [dB/km]
L là chiều dài sợi cáp [km]
P
dBm
(0) là công suất tín hiệu quang tại đầu phát [dBm]
P
dBm
(L) là công suất tín hiệu quang sau khoảng cách L [dBm]
Suy hao cáp chủ yếu do các hiện tượng hấp thụ và tán xạ gây ra. Sự hấp thụ bắt
nguồn từ sự không tinh khiết và các hiệu ứng nguyên tử của vật liệu chế tạo sợi
cáp. Còn tán xạ do nguyên nhân chiết suất của sợi cáp thay đổi theo khoảng cách
(tán xạ Rayleigh) và sự không tròn hoàn hảo của sợi cáp.
Suy hao ảnh hưởng lớn đối với bước sóng ngắn hơn là đối với bước sóng dài.
Chính vì điều này mà các bước sóng nhỏ hơn 800nm không được sử dụng trong
thông tin quang.
Thông thường, người ta tính toán giá trị suy hao theo đơn vị tuyến tính theo công
thức như sau:
kmdBkmdB //
23026.0
10
)10ln(
ααα
ωωβωωβωωββ
ω
ωωβ
−+−+−+==
c
n
(1.7)
trong đó n(
ω
) là chiết suất hiệu dụng của sợi cáp quang.
c là vận tốc ánh sáng trong chân không.
0
)(
ωω
ωβ
ω
β
=
∂
∂
=
k
k
k
với k = 0,1,2,3.
16
Hệ số
β
k
β
λ
π
λ
c
vd
d
D
g
−==
+==
23
3
2
11)2(
β
π
β
λ
λ
π
λ
c
λ
π
λ
ω
β
β
D được tính bằng ps/nm.km. Nó thể hiện độ giãn rộng ∆T của xung có độ rộng
∆λ sau quãng đường z hoặc tương đương với độ lệch thời gian của 2 xung sau
khoảng cách z:
zD
vd
d
z
d
dT
T
g
λ
λ
λ
λ
λ
∆=
hao theo cường độ trường thì chiết suất phi tuyến là nguyên nhân gây ra sự dịch
pha tỷ lệ với cường độ trường. Sự khác biệt chính giữa hiệu ứng Kerr và tán xạ
kích thích là ở chỗ tán xạ kích thích có mức công suất ngưỡng tại đó các hiệu ứng
phi tuyến bắt đầu bộc lộ trong khi hiệu ứng Kerr không có mức ngưỡng như vậy.
1.3.4.1.Hiệu ứng Kerr:
Hiệu ứng này thể hiện sự phụ thuộc của chiết suất của sợi quang n(
ω
,t) vào cường
độ điện trường I của tín hiệu quang lan truyền trong sợi:
)()(),(
20
tInntn +=
ωω
(1.10)
trong đó n
0
là chiết suất tuyến tính
n
2
là hệ số chiết suất phi tuyến
So sánh với các môi trường phi tuyến khác, n
2
rất nhỏ. Tuy nhiên, trong thông tin
quang, các hiệu ứng do sự tương tác phi tuyến giữa các xung tín hiệu có thể tích
tụ lại trong quá trình truyền dẫn và trở thành hạn chế của hệ thống.
Các hiệu ứng phi tuyến thường gặp thuộc nhóm hiệu ứng Kerr bao gồm: SPM,
XPM và FWM.
a. Self-Phase Modulation và Cross-Phase Modulation
Khi phát chuỗi xung có cường độ I(t) và pha ban đầu
φ
là pha ban đầu của kênh m.
n
0,m
là chiết suất tuyến tính của kênh m.
n
2
là chiết suất phi tuyến.
k là chỉ số ký hiệu cho các kênh lân cận của kênh m.
Trong ngoặc vuông, số hạng thứ nhất tương ứng với sự dịch pha tuyến tính tích tụ
trong quá trình truyền dẫn.
Số hạng thứ 2 tương ứng với sự dịch pha phi tuyến do quá trình tự điều pha SPM
của kênh m tích tụ trong quá trình truyền dẫn. Sự dịch pha do SPM tỷ lệ với
18
cường độ điện trường. Hiện tượng này làm cho phổ tín hiệu bị giãn ra hoặc co lại
trong quá trình truyền.
Số hạng thứ 3 mô tả sự dịch pha gây ra bởi sự thay đổi cường độ kênh lân cận của
kênh k, hiệu ứng này được gọi là điều pha chéo XPM.
b. Hiệu ứng FWM
Khi các sóng mang có tần số khác nhau truyền trong sợi quang, các tần số khác
nhau có thể tương tác với nhau để tạo ra thành phần có tần số mới. Hiệu ứng phi
tuyến này được gọi là trộn bốn sóng FWM. Hiệu ứng xảy ra khi 2 photon ở tần số
ω
1
và
ω
2
bị hấp thụ để tạo ra 2 photon ở tần số
ω
3
và
ω
i
.
β
(
ω
i
) là hằng số truyền modal ở ω
i
.
ω
klm
=
ω
k
+
ω
l
-
ω
m
là tần số sóng của E
klm
.
Năng lượng của sóng E
klm
được coi là xếp chồng của các tần số trộn
ω
trong đó
∆β
mô tả sự không hợp pha giữa các điện trường. Thay thế phương trình
khai triển hệ số truyền sóng vào phương trình trên, ta có:
−
+
+−−−=∆
ω
ωω
ββωωωωωβ
2
))(()(
32
kl
mlmk
−
−
= DS
c
Dc
klmlmk
2
2
2
2
00000
ω
π
ω
ω
ω
ωω
ω
ωω
ω
=
2
2
2
2
)]exp(1[
)2/sin()exp(4
1
z
zz
α
βα
βα
α
η
(1.18)
trong đó α là hệ số suy hao sợi cáp, z là chiều dài sợi.
19
Hiệu suất
η
của quá trình FWM phụ thuộc điều kiện phù hợp về pha ∆
β
. Hiệu
ứng FWM xảy ra mạnh khi và chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động
lượng của photon được bảo toàn). Về mặt toán học, điều kiện này có thể được
biểu diễn:
)()()()(
kjiijk
ωβωβωβωβ
−+=
Để giảm ảnh hưởng do hiệu ứng FWM gây ra, có thể dùng các giải pháp:
• Khoảng cách các kênh không đều nhau: vị trí các kênh có thể lựa chọn kỹ
để các thành phần nhiễu không đè lên các kênh số liệu.
• Tăng khoảng cách giữa các kênh: Làm tăng vận tốc nhóm giữa các kênh,
nhược điểm làm tăng độ rộng băng hệ thống và do vậy yêu cầu phải có bộ
khuếch đại quang độ rộng băng khuếch đại rộng hơn.
• Sử dụng các bước sóng cao hơn 1560nm với sợi DSF do trong phạm vi này
sợi có lượng tán sắc đáng kể làm giảm FWM.
• Giảm công suất phát và giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại.
1.3.4.2. Tán xạ kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering)
20
Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó
photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ
học của các phân 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 cuả ánh sáng tới
(ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke). Khi 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) 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.
Nếu trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng
cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn
nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này
cũng gây xuyên âm giữa các kênh.
1.3.4.3. Tán xạ kích thích Brillouin SBS
[6] [7] Sóng âm học và sóng quang học trong sợi quang có thể tương tác với nhau
để tạo nên tán xạ kích thích Brillouin. Chùm laser tới sẽ tán xạ theo sự thay đổi
chiết suất sợi quang cùng với sóng âm, ánh sáng tán xạ tuỳ thuộc hướng truyền
của sóng âm mà bị dịch tần theo sóng âm. Tiến trình được gọi là kích thích vì sự
giao thoa giữa sóng tới và sóng tán xạ làm cho sóng âm được khuếch đại và có xu
∆
v
S
là độ rộng phổ tín hiệu
∆
v
B
là độ rộng băng tần tăng ích Brillouin.
Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng để mức công suất của từng kênh và khoảng
cách giữa các kênh trong hệ thống WDM mà không phụ thuộc vào số kênh của hệ
thống.
1.4. Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM
1.4.1. Thiết bị trong mạng WDM
1.4.2.1.Thiết bị OADM
Trên thực tế, đôi khi người ta cần thực hiện việc tách hoặc/và ghép một số kênh
xác định nào đó trong luồng tín hiệu. Để thực hiện nhiệm vụ này phải cần đến
một loại thiết bị chuyên dụng, đó là thiết bị xen/rẽ kênh hay gọi ngắn gọn là thiết
bị xen/rẽ.
21
Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra
một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác
trong sợi. Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn
thiện và linh hoạt hơn.
1.4.2.2. Thiết bị OXC
Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử
chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu
vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau. Dưới góc độ mạng, đấu nối chéo
là một nút chuyển mạch mà trạng thái thay đổi theo hệ thống quản lý mạng chứ
không theo báo hiệu trong mạng. Do đó những thay đổi này thường kéo dài trong
22
nặng,... và hơn cả giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao vì phải chi trả cho các công nghệ
để giải quyết những nhược điểm trên. Do đó giải pháp xây dựng OXC với lõi
quang trở nên hấp dẫn hơn cả và khắc phục được những nhược điểm nêu trên.
Hơn nữa, giá thành của các linh kiện quang (ma trận chuyển mạch quang) đã
giảm xuống rất nhiều, trong tương lai gần nó hoàn toàn có thể so sánh với OXC
dựa trên ma trận chuyển mạch điện.
Dựa vào đặc tính chuyển mạch người ta chia OXC lõi quang thành ba loại chính:
a. OXC chuyển mạch sợi (FXC)
Các nối chéo chuyển mạch sợi (FXC) thực hiện chuyển mạch tất cả kênh bước
sóng từ một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra, nó hoạt động như một bảng đấu sợi tự
động. FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó
cũng rẻ hơn).
Trong một số phần mạng mà việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC
có thể là một giải pháp hợp lý. Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện
tại. Chúng có thể cung cấp các khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng
lại không linh hoạt (nhằm hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới).
Hình 1.6 OXC chuyển mạch sợi (a), OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng (b) và chuyển mạch trao đổi
bước sóng (c)
b. OXC lựa chọn bước sóng (WSXC)
WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào đến một
sợi đầu ra. Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) các tín
hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng.
WSXC còn có tính linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ. Các kênh bước sóng có
thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ mesh, ring hoặc kết hợp.
c. OXC trao đổi bước sóng (WIXC)
WIXC hoàn toàn giống như WSXC mô tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển
đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác.
Đặc tính này làm giảm xác suất không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu
ra do sự cạnh tranh bước sóng. WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi
phục và dự phòng dịch vụ.
1.4.2. Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM
Thiết kế kỹ thuật của hệ thống WDM là rất phức tạp, nó là sự cân bằng của nhiều
các yếu tố tác động. Nhiều hiệu ứng trong hệ thống WDM đã được biết đến trong
các hệ thống đơn kênh. Tuy nhiên còn có một số hiệu ứng khác trong truyền dẫn
WDM, bao gồm:
- Sự phân tách kênh và băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu ảnh hưởng của SRS và
đạt được độ bằng phẳng khuếch đại tối ưu từ các bộ khuếch đại ta phải sắp xếp
các kênh càng gần nhau càng tốt. Dĩ nhiên điều này sẽ cho chúng ta có được
nhiều kênh hơn (nếu cần) và vì vậy dung lượng cũng cao hơn.Tuy nhiên,
những tác động của FWM lại không cho phép các kênh có khoảng cách quá
gần nhau.
- Độ chính xác và giá thành phần tử quang: Nói chung, các phần tử quang càng
chính xác và ổn định thì chúng càng có giá thành đắt. Độ rộng phổ nguồn laser
càng hẹp và tín hiệu của nó càng ổn định thì nó càng có giá thành cao hơn.
Những đánh giá tương tự cũng được xét cho các cách tử, bộ lọc, và phần lớn
các thiết bị khác. Đây là yếu tố quan trọng để quyết định độ rộng dải thông và
khoảng cách kênh.
- Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa cơ bản của việc kiểm soát tán sắc là giảm nhỏ dải
thông tín hiệu và sử dụng một số phương pháp bù tán sắc. Việc sử dụng sợi
DSF tại bước sóng tán sắc 0 (zero) là không thể được do vấn đề FWM. Có thể
giảm nhỏ dải thông tín hiệu nhưng dải thông lại bị giãn rộng ra do chúng tự
điều chế và nếu ta giảm dải thông tín hiệu xuống thấp hơn 80 MHz thì lại xuất
hiện những hạn chế do các hiệu ứng SBS. Trong các hệ thống có cự ly dưới
100km tại tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên sẽ cần đến một số phương thức quản lý tán
sắc và bù tán sắc.
tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề mạng quang định tuyến theo bước sóng.
Copyright: Tài liệu đại học ©