i
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
VÕ THỊ THU THỦY
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT NÉN XUNG QUANG SỬ DỤNG
HIỆU ỨNG PHI TUYẾN
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYẾN QUANG NHƯ QUỲNH
Đà Nẵng – Năm 2017
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn đầy đủ theo
đúng quy định.
Tác giả luận văn
Võ Thị Thu Thủy
iii
MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA...........................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................ii
MỤC LỤC......................................................................................................................iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN..................................................................................................v
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.......................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................................ix
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................xi
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... xii
1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................... xii
2. Mục tiêu nghiên cứu..........................................................................................xiii
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................xiii
4. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................xiii
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................xiii
6. Kết quả dự kiến .................................................................................................xiii
7. Kết cấu của luận văn .......................................................................................xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ......... ..1
1.1 Giới thiệu chương ............................................................................................. ..1
1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin sợi quang .......................................... ..1
1.3 Tầm quan trọng của hệ thống thông tin sợi quang trong mạng viễn thông
...................................................................................................................................... ..5
1.4 Hệ thống thông tin sợi quang đa kênh .......................................................... ..5
1.4.1 Hệ thống thông tin sợi quang WDM........................................................ ..6
1.4.2 Hệ thống thông tin sợi quang OTDM ...................................................... ..8
1.5 Những ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang ....................................... ..9
1.6 Kết luận chương ............................................................................................... ..9
CHƯƠNG 2. HIỆU ỨNG PHI TUYẾN ................................................................... 10
2.1 Giới thiệu chương ............................................................................................. 10
2.2 Tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang .................................................. 10
2.2.1 Khái niệm và phân loạị tán sắc ............................................................... 10
2.2.2 Các loại tán sắc ......................................................................................... 12
2.2.2.1 Tán sắc vận tốc nhóm ( GVD ) ............................................................ 12
2.2.2.2 Tán sắc mode phân cực ( PMD )......................................................... 14
iv
2.3 Hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................... 16
2.3.1 Định nghĩa ................................................................................................. 16
2.3.2 Chiều dài và diện tích hiệu dụng .............................................................. 17
2.3.3 Quá trình tự điều chế pha ( SPM) ............................................................ 19
2.3.4 Hiệu ứng điều chế xuyên pha ( XPM ) .................................................... 21
2.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng ( FWM) .................................................... 22
2.4 Kết luận chương ............................................................................................... 22
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT NÉN XUNG QUANG ................................................. 24
3.1. Giới thiệu chương ............................................................................................ 24
3.2. Tín hiệu quang RZ .......................................................................................... 24
3.3. Kỹ thuật nén xung ........................................................................................... 26
3.4. Xây dựng mô hình hệ thống nén .................................................................. 29
3.5. Kết luận chương .............................................................................................. 31
CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG NÉN XUNG QUANG DÙNG HIỆU
ỨNG PHI TUYẾN ...................................................................................................... 32
4.1 Giới thiệu chương ............................................................................................. 32
4.2 Mô phỏng và đánh giá hệ thống nén xung quang trên phần mềm
Optisystem 7.0....................................................................................................... 32
4.2.1 Phần mềm mô phỏng Optisystem 7.0 ....................................................... 32
4.2.1.1 Giới thiệu phần mềm .......................................................................... 32
4.2.1.2 Mô tả các linh kiện, thiết bị mô phỏng ................................................ 35
4.2.2 Mô phỏng đánh giá hệ thống nén trên phần mềm Optisystem 7.0......36
4.2.2.1 Tiến trình mô phỏng đánh giá hệ thống nén ....................................... 36
4.2.2.2 Thiết lập sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Optisystem 7.0 ................... 37
4.2.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá với dung lượng của kênh là 10Gbit/s.38
4.3. Kết luận chương .............................................................................................. 44
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 46
v
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT NÉN XUNG QUANG SỬ DỤNG
HIỆU ỨNG PHI TUYẾN
Học viên: Võ Thị Thu Thủy
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.02.03
Khóa: K32 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Ở các hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao, tín hiệu cần có độ rộng
xung nhỏ. Giải pháp nén tín hiệu xung quang từ nguồn tín hiệu quang có độ rộng
khoảng 20 ~30 ps, vốn là các tín hiệu xung được phát ra từ các nguồn phát phổ
biến là rất cần thiết. Trong tương lai, các mạng quang khả năng sẽ sử dụng các lợi
thế của kỹ thuật nén xung để tạo ra tín hiệu quang có độ rộng xung nhỏ nhằm tạo
ra tín hiệu có thể truyền tải dữ liệu có tốc độ cao, cần thiết cho việc nâng cao dung
lượng của các mạng quang. Luận văn trình bày tổng quan về hệ thống thông tin sợi
quang, hiện tượng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, các kỹ thuật nén xung và thực hiện
mô phỏng trên phần mềm Optisystem 7.0 với tín hiệu quang return-to-zero (RZ).
Kết quả mô phỏng gồm phổ các tín hiệu, tỉ lệ lỗi bit BER của các tín hiệu trong
quá trình thực hiện kỹ thuật nén xung, với độ rộng xung nhỏ nhất có thể đạt được
là 2,8 ps cho thấy quá trình mô phỏng đạt kết quả tốt. Các phân tích về sự đạt
được kết quả này được giới thiệu và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo.
Từ khóa – Hệ thống thông tin sợi quang, sợi quang có hệ số phi tuyến cao HNLF,
kỹ thuật nén xung, phần mềm mô phỏng Optisystem 7.0.
A RESEARCH ON COMPRESSION TECHNIQUE OF OPTICAL SIGNAL
USING NONLINEAR EFFECTS
Abstract – In high_speed fiber optical communication systems, the pulsewidth of
optical signal is small enough to generate high_speed signal. The optical signal
from the popular optical source is about 20~30 ps wide, therefore, the
compression of pulse signal is very necessary. In the future, optical networks are
likely to use the advantages of pulse-compression technology to produce a small
pulse-width optical signal that produces a signal that can transmit data at highspeed, needed to improve the capacity of optical networks. The thesis presents an
overview of fiber optical communication systems, chromatic dispersion, nonlinear
effects, pulse compression techniques, and simulation on Optisystem 7.0 software
for the RZ signal with bit-rate 10 Gb/s. Simulation results which are the spectrum,
pulsewidth, and bit error rate (BER) of signal with the smallest pulsewidth of 2,8
ps during pulse compression, indicate that the pulse compression was successful.
The analysis of the result achievements is introduced and the further development
was discussed.
Key words– Fiber optical communication system, highly nonlinear fiber HNLF,
pulse compression technique, Optisystem 7.0 simulation software.
vi
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
A
AM
ATM
ASK
APS
ASE
B
BER
BA
BL
BW
C
CNR
CW
D
DBR
DCF
DDF
Thuật ngữ tiếng Anh
Thuật ngữ tiếng Việt
Amplitude modulation
Asynchronous transfer mode
Amplitude shift keying
Automatic protection switching
Amplified spontaneous emission
Điều chế biên độ
Phương thức truyền dị bộ
Khoá dịch biên độ
Chuyển mạch bảo vệ tự động
Phát xạ tự phát được khuếch
đại
Bit error rate
Boost amplifier
Bit length
Bandwidth
Tỷ lệ lỗi bít
Bộ khuếch đại công suất
Tích tốc độ bit * chiều dài
Băng thông
Carrier to noise ratio
Continuous wave
Tỉ số sóng mang trên nhiễu
Sóng liên tục
Distributed bragg reflector
Dispersion compensate fiber
dispersion-decreasing fiber
Phản xạ phân bố Bragg
Sợi bù tán sắc
Sợi quang có tán sắc giảm
dần
Bộ phân kênh
Ghép kênh theo bước sóng
quang mật độ cao
Trễ nhóm vi sai
DEMUX
DWDM
Demultiplexer
Dense wavelength division multiplexing
DGD
E
EDFA
Differential group delay
F
FWM
H
HDTV
HNLF
G
GI
Erbium doped fiber amplifiers
Bộ khuếch đại quang sợi pha
tạp Erbium
Four wave mixing
Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
High definition television
Highly nonlinear fiber
Truyền hình độ nét cao
Sợi quang có tính phi tuyến
cao
Graded index
Sợi quang có chiết suất giảm
vii
GVD
I
IEEE
Group velocity dispersion
dần
Tán sắc vận tốc nhóm
Institute of electrical and electronics
engineers
Tổ chức viện kỹ sư điện và
điện tử
IM – DD
Intensity modulation – direct detection
Điều chế cường độ-Tách
sóng trực tiếp
Laser diode
Line amplifier
Light emitting diode
Light amplification
by stimulated emission of radiation
Đi ốt laser
Khuếch đại đường truyền
Đi ốt phát quang
Khuếch
đại ánh
sáng bằng phát xạ kích thích
Mach–Zehnder interferometer
Multiplexer
Bộ giao thoa Mach-Zehnder
Bộ ghép kênh
Non-return-to-zero
Tín hiệu không trở về không
Optical/electrical
Optical supervision channel
Optical transponder unit
Optical demultilexing unit
Optical time division multiplexing
Quang/Điện
Kênh giám sát quang
Bộ phát đáp quang
Bộ tách kênh quang
Ghép kênh phân chia theo
thời gian quang
Plesiochrounous digital hierachy
Pre-amplifier
Phase modulation
Polarization mode dispersion
Phase shift keying
Phân cấp số cận đồng bộ
Bộ tiền khuếch đại
Điều chế pha
Tán sắc mode phân cực
Điều chế khóa dịch pha
Quadrature amplitude modulation
Quadrature phase shift keying
Quality of Service
Điều chế biên độ trực giao
Điều chế khóa dịch pha
Chất lượng dịch vụ
Raman amplifier
Khuếch đại Raman
L
LD
LA
LED
LASER
M
MZI
MUX
N
NRZ
O
O/E
OSC
OTU
ODU
OTDM
P
PDH
PA
PM
PMD
PSK
Q
QAM
QPSK
QoS
R
RA
viii
RZ
S
SPM
SNR
SMF
W
WDM
X
XPM
VOA
Returm-to-zero
Tín hiệu trở về không
Self-phase modulation
Signal-to-noise ratio
Single mode fiber
Tự điều chế pha
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Sợi đơn mode
Wavelength division multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
bước sóng
Cross-phase modulation
Variable optical attenuators
Điều chế xuyên pha
Bộ suy hao
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ
1.1
Tên hình vẽ
Trang
Hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á
2
1.2
Sơ đồ kết nối tuyến cáp quang AAG ngầm bên dưới Thái Bình
Dương, nối châu Á sang Mỹ
3
1.3
Sơ đồ kết nối tuyến cáp quang APG
3
1.4
Sơ đồ hệ thống cáp biển AAE-1
4
1.5
Các vùng bước sóng có suy hao nhỏ của sợi quang cho phép
truyền nhiều kênh bước sóng khác nhau
5
1.6
Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang WDM
6
1.7
7
2.1
(a) Hệ thống hai hướng hai sợi; (b) Hệ thống hai hướng một sợi
Sơ đồ ghép kênh trong hệ thống OTDM sử dụng các đường trễ
quang
Minh họa sự giãn rộng xung do tán sắc khi ánh sáng được
truyền trong sợi quang
10
2.2
Các loại tán sắc cơ bản xảy ra trong sợi quang
11
2.3
Tán sắc sắc thể đối với các loại sợi quang khác nhau
13
2.4
DGD do tính lưỡng chiết của sợi quang
14
2.5
Mô tả chiều dài hiệu dụng
17
2.6
Diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng
18
2.7
Sự biến đổi theo thời gian gây ra bởi SPM: (a) độ dịch pha ϕNL
và (b) độ chirp tần cho các xung Gauss (đường đứt nét) và siêu
Gauss (đường liền)
20
2.8
Quá trình trộn bốn sóng
21
3.1
Dạng xung của tín hiệu RZ
23
3.2
Phát tín hiệu RZ 10Gb/s
24
3.3
Sơ đồ mô phỏng phát tín hiệu RZ 10Gb/s
24
3.4
Tín hiệu RZ 10Gb/s
24
3.5
Sơ đồ của bộ nén sử dụng hiệu ứng phi tuyến
26
3.6
a. Sự dao động của tín hiệu tại bộ thu; b. Hàm mật độ xác
suất của bit “0” và bit “1”
27
1.8
8
x
3.7
Mô hình hệ thống nén
29
4.1
Tiến trình mô phỏng đánh giá hệ thống nén
35
4.2
36
4.3
Cấu hình mô phỏng hệ thống nén
Sơ đồ mô phỏng hệ thống thông tin quang dùng kỹ thuật nén
xung
4.4
Phổ quang sau khi nén với độ rộng xung τ = 2.8 ps
37
36
Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 3.301 x 10-9 với độ rộng xung
4.5
4.6
37
τ = 2.8 ps
Phổ quang sau khi nén với độ rộng xung τ = 5.9 ps
38
Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 3.89 x 10-9 với độ rộng xung
4.7
4.8
38
τ = 5.9 ps
Phổ quang sau khi nén với độ rộng xung τ = 8 ps
39
Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 3.89 x 10-9 với độ rộng xung
4.9
4.10
39
τ = 8 ps
Phổ quang sau khi nén với độ rộng xung τ = 14.2 ps
40
-9
Giản đồ mắt có tỉ lệ lỗi bit BER: 1.15 x 10 với độ rộng xung
4.11
τ = 14.2 ps
40
4.12
Đồ thị đặc tính BER
42
4.13
Hệ số phẩm chất (Q-factor) theo công suất thu.
43
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng
Tên bảng
Trang
3.1
Độ rộng xung cần thiết cho luồng dữ liệu tốc độ cao
29
3.2
Các tham số của sợi quang HNLF
29
4.1
Hệ thống các linh kiện
36
4.2
Tổng hợp số liệu mô phỏng kỹ thuật nén 1 kênh.
43
xii
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Truyền thông quang hỗ trợ mạnh mẽ các mạng truyền thông hiện đại và rộng
lớn, đặc biệt là mạng internet toàn cầu. Thật vậy, sẽ không có mạng internet tốc độ cao
toàn cầu nếu không có mạng quang đường trục backbone. Theo số liệu liệt kê như trên
Youtube, cứ mỗi 1 phút trôi qua trên 10 năm video được theo dõi, và trên 72 giờ các
nội dung mới được cập nhật, trong số đó một phần tư lưu lượng đến từ các thiết bị di
động. Từ năm 2005 đến 2020, nhu cầu lưu lượng toàn cầu ước tính tăng 307 lần lên
đến 40 nghìn tỷ gigabytes, từ năm 2015 đến 2020 ước tính sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm
[8]. Ngày nay, với cuộc cách mạng 4.0 với công nghệ kết nối vạn vật Internet of
Things (IoT) giúp các thiết bị máy móc, cảm biến, và con người kết nối với nhau. Nhu
cầu cao về dung lượng trong việc truyền dẫn và xử lý tín hiệu xuất phát từ các dịch vụ
băng thông lớn như chia sẻ dữ liệu, điện toán đám mây, các hệ thống dữ liệu lớn. Tất
cả các mạng truy nhập từ các đầu cuối người sử dụng khác nhau ở nhà, khu thương
mại hay di động cá nhân đều được truyền trên mạng metro. Mạng lõi (core) mục đích
để kết nối các mạng đô thị (metro) với nhau thông qua các nốt mạng. Việc kết nối kinh
tế giữa nhiều thành phố khác nhau được tổng hợp bởi các tuyến vật lý khác nhau mà ở
đó có rất nhiều lưu lượng được truyền trên mạng lõi. Liên quan đến tác động cấu trúc
viễn thông công nghiệp, các hệ thống truyền dẫn sợi quang là phương tiện truyền dẫn
tiềm năng nhất về dung lượng lớn trên khoảng cách xa như mạng đô thị và mạng lõi.
Truyền thông quang trong những năm cuối của thập niên 1970 cho đến nay bắt
đầu có các liên kết, dung lượng tăng trưởng theo cấp số nhân cho phép rất nhiều dịch
vụ viễn thông được triển khai thông qua mạng internet. Để đáp ứng nhu cầu liên tục về
dung lượng lớn, các công nghệ quang đóng vai trò chính trong những thách thức gia
tăng các kênh truyền tốc độ cao. Ở các hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao, tín
hiệu cần có độ rộng xung nhỏ. Hiện nay, các loại thiết bị quang có thể phát ra tín hiệu
có độ rộng xung nhỏ lên đến vài femto-giây. Tuy nhiên, giá thành của các thiết bị này
rất đắt tiền do sự phức tạp về cấu tạo và vận hành. Vì vậy, giải pháp nén tín xung
quang từ nguồn tín hiệu quang có độ rộng khoảng 20 ~30 ps, vốn là các tín hiệu xung
được phát ra từ các nguồn phát phổ biến là rất cần thiết. Trong tương lai, các mạng
quang khả năng sẽ sử dụng các lợi thế của kỹ thuật nén xung để tạo ra tín hiệu quang
có độ rộng xung nhỏ nhằm tạo ra tín hiệu có thể truyền tải dữ liệu có tốc độ cao. Thật
vậy, có hai giải pháp phổ biến để gia tăng dung lượng của mạng quang là ghép các tín
hiệu: ghép phân chia theo bước sóng (WDM) và ghép phân chia theo thời gian quang
(OTDM). Vì vậy, sử dụng kỹ thuật nén xung quang để tạo ra các luồng OTDM nhằm
nâng cao tốc độ truyền dẫn. Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật nén xung
quang sử dụng hiệu ứng phi tuyến.
xiii
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng được hệ thống nén xung và đánh giá hệ thống dùng phần mềm
Optisystem 7.0
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu:
- Nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến, kỹ thuật nén xung quang.
- Xây dựng mô hình hệ thống nén xung quang.
3.2 Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về các thành phần trong hệ thống thông tin sợi quang,
các hiện tượng tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Từ đó nghiên cứu kỹ
thuật nén xung quang dùng hiệu ứng phi tuyến
- Mạng và hệ thống thông tin dung lượng lớn sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo
bước sóng WDM và ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM .
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và
mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
- Khảo sát, thiết kế, phân tích các thành phần của hệ thống sử dụng kỹ thuật nén
xung dùng hiệu ứng phi tuyến
- Sử dụng phần mềm để thực hiện mô phỏng hệ thống.
- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên tính toán mô phỏng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Sử dụng kỹ thuật nén xung quang dùng hiệu ứng phi tuyến để tạo ra các tín hiệu
có độ rộng xung nhỏ dải pico-giây nhằm tăng tốc độ luồng tín hiệu, cần thiết cho việc
nâng cao dung lượng của các mạng quang.
6. Kết quả
Xây dựng mô hình hệ thống nén xung quang, thực hiện nén xung và đánh giá
kết quả nén của mô hình nén dùng hiệu ứng phi tuyến.
7. Kết cấu của luận văn
Luận văn gồm những phần chính sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang
Chương 2: Hiệu ứng phi tuyến
Chương 3: Kỹ thuật nén xung quang
Chương 4: Đánh giá hệ thống nén xung quang dùng hiệu ứng phi tuyến
Kết luận và hướng phát triển đề tài
Danh mục tài liệu tham khảo
Phụ lục
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
1.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật thông tin sợi quang ngày càng sử dụng rộng rãi trong mạng viễn thông:
truyền số liệu, truyền hình cáp...Trong chương này, luận văn trình bày:
- Sự phát triển của các hệ thống thông tin sợi quang.
- Tầm quan trọng của hệ thống thông tin sợi quang trong mạng viễn thông.
- Hệ thống thông tin sợi quang ghép kênh: WDM và OTDM.
- Những ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang.
1.2 Sự phát triển của các hệ thống thông tin sợi quang [1]
Lịch sử của thông tin sợi quang đã qua những thế hệ phát triển và hoàn thiện với
những mốc thời gian.
Thế hệ đầu tiên hoạt động ở bước sóng 800nm và sử dụng Laser bán dẫn GaAs.
Năm 1970, khoảng cách lặp tăng đáng kể vì hệ thống làm việc ở vùng bước sóng
1300nm.
Với thế hệ thứ hai, từ năm 1980, khoảng cách lặp bé hơn 100 Mb/s do bị tán sắc
trong sợi đa mode. Do đó, phải sử dụng sợi đơn mode SMF. Năm 1981, thí nghiệm
thành công hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode SMF, khoảng cách lặp khoảng 44
km, các hệ thống thông tin sợi quang hoạt động tại tốc độ lên tới 2 Gb/s. Năm 1987,
các hệ thống thế hệ thứ hai với tốc độ bít của hệ thống 1,7 Gb/s, khoảng cách lặp
khoảng 50 km. Năm 1979, sử dụng vùng bước sóng 1550 nm với suy hao của sợi 0,2
dB/km.
Thế hệ thứ ba nhiều thí nghiệm đã thành công khi truyền thông tin với tốc độ bít
của hệ thống 4 Gb/s và khoảng cách lặp lớn hơn 100 km vào năm 1985. Năm 1990, đã
triển khai các hệ thống thế hệ thứ 3; sử dụng sợi quang tán sắc dịch chuyển (DSF) làm
giảm được tán sắc cho phép tăng tốc độ bít lên 2,5 Gb/s và sau đó đạt đến 10 Gb/s.
Thế hệ thứ tư sử dụng khuếch đại quang để tăng khoảng cách và kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo bước sóng WDM để nâng cao dung lượng truyền dẫn, cho phép
tăng dung lượng lên gấp đôi trong mỗi 6 tháng và đạt tốc độ bít 10Tb/s vào năm 2001.
Năm 1991, đã thực nghiệm thành công việc truyền dẫn với tốc độ bít 2,5 Gb/s và
khoảng cách lặp 21.000 km và 5 Gb/s với khoảng cách lặp 14.300 km. Từ năm 1996,
nhiều hệ thống xuyên đại dương, chẳng hạn hệ thống cáp quang biển xuyên Đại Tây
Dương và Thái Bình Dương đã được triển khai và sử dụng. Điều này thúc đẩy việc
nghiên cứu tìm ra các bộ khuếch đại mới có phổ trải rộng từ 1450 nm đến 1630 nm.
Kết quả là năm 2000, một hệ thống thực nghiệm đạt 3,28 Gb/s, 82 kênh, mỗi kênh 40
Gb/s, khoảng cách 3000 km, với tích BL: 10.000 (Tb/s)-km. Chỉ trong 1 năm, dung
lượng được nâng lên trên 11 Tb/s (273 kênh, mỗi kênh 40 Gb/s, khoảng cách 117 km.
Cuối 2000, các hệ thống đường trục trên mặt đất đã đạt được dung lượng 1,6 Tb/s.
Như vậy so với dung lượng 45 Mb/s của hệ thống thế hệ 1 trong năm 1980, dung
lượng thông tin của thế hệ thứ tư đã tăng gấp 10.000 lần trong vòng 20 năm.
2
Thế hệ thứ năm được mở rộng số kênh trong WDM nhờ sử dụng khuếch đại
Raman với các băng tần S, C và L. Ngoài ra, một kiểu sợi quang mới, có tổn hao nhỏ
trong vùng bước sóng rất rộng từ 1300- 1650nm đã được triển khai. Nhờ đó, hệ thống
WDM hàng ngàn kênh thông tin với tốc độ bít mỗi kênh cũng không ngừng tăng lên.
Từ 2000, nhiều thực nghiệm WDM đã thành công với tốc độ bít mỗi kênh 40 Gb/s và
hướng đến 160 Gb/s. Vấn đề chính trong các hệ thống này là cần phải quản lý tán sắc
thật chặt chẽ. Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng kỹ thuật truyền dẫn
soliton trong đó các xung giữ nguyên hình dạng của nó khi truyền trong sợi không tổn
hao nhờ trung hoà tán sắc của sợi.
Những năm gần đây, người ta nghiên cứu và triển khai hệ thống khuếch đại
ghép lai EDFA/Raman nhằm tăng khoảng cách truyền dẫn và dung lượng thông tin nhờ
giảm được nhiễu so với hệ thống sử dụng EDFA và mở rộng băng thông khuếch đại
(băng C và L).
Với hệ thống WDM, các tổn hao của sợi quang được bù tuần hoàn nhờ sử
dụng các bộ khuyếch đại quang sợi pha tạp erbium (EDFA) cách nhau cỡ 60 – 80 km.
Các bộ khuếch đại quang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấp
thương mại năm 1990. Nhờ việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi mà các hệ thống
truyền dẫn cáp biển toàn quang giữa các lục địa trở nên khả thi. Từ sau năm 1996
nhiều hệ thống truyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc độ Gb/s
đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới [2]. Hệ thống mạng cáp quang biển tại
khu vực châu Á được thể hiện trong Hình 1.1.
Hình 1.1. Hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á [2]
Asia-America Gateway (AAG) là một trong những hệ thống cáp ngầm xuyên
đại dương lớn nhất thế giới, với độ dài hơn 20.000km, kết nối Đông Nam Á với nước
Mỹ, thông qua Thái Bình Dương, được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2009. Kể từ khi
đưa vào sử dụng cho đến nay, tuyến cáp này đã không ít lần gặp sự cố, hầu hết xảy ra
sụ cố trong phân đoạn nối liền giữa Hồng Kông và Singapore. Sơ đồ kết nối tuyến cáp
3
quang AAG ngầm bên dưới Thái Bình Dương, nối châu Á sang Mỹ được thể hiện
trong hình 1.2.
Hình 1.2. Sơ đồ kết nối tuyến cáp quang AAG ngầm bên dưới Thái Bình Dương, nối
châu Á sang Mỹ [9]
APG (Asia Pacific Gateway) là tuyến cáp quang biển có lưu lượng lớn nhất
đang hoạt động tại khu vực châu Á, băng thông tối đa lên tới 54 Tb/s . Hiện các nhà
mạng đang khai thác ở mức 4 Tbps. Tuyến cáp này có chiều dài 10.400 km, đặt ngầm
dưới Thái Bình Dương, đi qua 9 quốc gia và vùng lãnh thổ thuộc châu Á, bao gồm
Trung Quốc, Hong Kong, Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc, Malaysia, Singapore, Thái
Lan và Việt Nam. Sơ đồ kết nối tuyến cáp quang APG được thể hiện trong Hình 1.3.
4
Hình 1.3. Sơ đồ kết nối tuyến cáp quang APG [9]
Ngoài APG, Viettel cũng đầu tư thêm vào tuyến AAE-1, Asia Africa Europe
AAE-1 là hệ thống cáp biển kết nối các khu vực châu Á, Trung Đông, châu Phi, châu
Âu, đi qua 19 quốc gia với tổng dự án khoảng 820 triệu USD. AAE-1 được kết nối tại
các trung tâm dữ liệu (Data Center) lớn nhất thế giới như tại Hong Kong (Telecom
House), Singapore (Equinix và Global Switch), Pháp (Interxion Marseille - MRS1 và
MRS2). Tới Việt Nam, điểm cập bờ của tuyến cáp này tại thành phố Vũng Tàu. Sơ đồ
hệ thống cáp biển AAE-1 được thể hiện trong hình 1.4.
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống cáp biển AAE-1 [9]
5
1.3. Tầm quan trọng của hệ thống thông tin sợi quang trong mạng viễn thông:
Ngày nay, với cuộc cách mạng 4.0 với công nghệ kết nối vạn vật Internet of
Things (IoT) giúp các thiết bị máy móc, cảm biến và con người kết nối với nhau. Cùng
với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin. Cùng với đó, các loại hình dịch vụ
như internet tốc độ cao, truyền hình HD , Tivi kết nối mạng internet, các hệ thống
công nghệ cao tăng ngày càng cao … khiến cho nhu cầu về băng thông mạng gia tăng
không ngừng. Với khả năng truyền tải internet chất lượng cao, tầm quan trọng của dây
cáp quang ngày càng được khẳng định. Thật vậy, sẽ không có mạng internet tốc độ cao
toàn cầu nếu không có mạng quang đường trục backbone. Với số liệu liệt kê như trên
Youtube, cứ mỗi 1 phút trôi qua trên 10 năm video được theo dõi, và trên 72h các nội
dung mới được cập nhật, trong số đó một phần tư lưu lượng đến từ các thiết bị di
động. Từ năm 2005 đến 2020, giá trị số toàn cầu ước tính tăng 307 lần lên đến 40
nghìn tỷ gigabytes, từ năm 2015 đến 2020 ước tính sẽ tăng gấp đôi mỗi 2 năm [8].
1.4 Hệ thống thông tin sợi quang đa kênh
Do sóng mang quang có tần số rất cao nên về dung lượng của hệ thống thông
tin sợi quang có thể vượt 10 Tb/s. Tuy nhiên, trong thực tế đến năm 1995, dung lượng
của các hệ thống thông tin sợi quang vẫn bị hạn chế ở 10 Gbit/s, nguyên nhân dẫn đến
giới hạn này là do ảnh hưởng của tán sắc, phi tuyến và hạn chế của tốc độ xử lý của
các thành phần điện tử có trong hệ thống thông tin sợi quang.
Tần số kênh
Bước sóng
Hình 1.5. Các vùng bước sóng có suy hao nhỏ của sợi quang cho phép truyền nhiều
kênh bước sóng khác nhau [2]
Để khắc phục được các hạn chế này, truyền dẫn nhiều kênh quang trên cùng
một sợi quang là cách đơn giản để tăng dung lượng của các hệ thống thông tin sợi
quang. Trong chương này sẽ đề cập đến các kỹ thuật ghép kênh quang đó là kỹ thuật
ghép kênh theo bước sóng (WDM) và kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian
6
(OTDM). Các vùng bước sóng có suy hao nhỏ của sợi quang cho phép truyền nhiều
kênh bước sóng khác nhau được trình bày trong hình 1.5.
1.4.1 Hệ thống thông tin sợi quang WDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật mà trong đó
nhiều sóng mang quang ở các bước sóng khác nhau được điều chế bởi các luồng tín
hiệu độc lập và sau đó được ghép lại và truyền đi trên cùng một sợi quang. Tại phía
thu, tín hiệu quang sẽ được tách thành các kênh riêng biệt nhờ sử dụng bộ tách bước
sóng quang. Kỹ thuật WDM cho phép khai thác băng tần truyền dẫn rất lớn của sợi
quang. Ví dụ, với khoảng cách giữa các kênh bước sóng dưới 100 GHz, có thể truyền
đồng thời hàng trăm kênh 10 Gb/s trên cùng một sợi quang nhờ kỹ thuật WDM.
λ1
λ1
Tx
Rx
λ2
Tx
λ2
Rx
Tx
Sợi quang
λN
λN
Bộ ghép kênh
bước sóng
Rx
Bộ tách kênh
bước sóng
Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ thống thông tin sợi quang WDM [2]
Hệ thống thông tin sợi quang WDM được mô tả trên Hình 1.6. Phần phát, giả
sử hệ thống có N nguồn phát làm việc ở các bước sóng λ1, λ2, … λN. Các tín hiệu
quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sau đó sẽ được ghép vào cùng một
sợi quang nhờ bộ ghép kênh theo bước sóng. Tín hiệu quang sau khi truyền trên sợi
quang đến phía thu sẽ được tách ra thành các kênh bước sóng riêng biệt nhờ bộ tách
kênh theo bước sóng và từng kênh bước sóng này sẽ được đưa đến các bộ thu quang
để khôi phục lại dạng tín hiệu điện ban đầu.
Để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi quang, hệ thống
WDM phải thực hiện các chức năng sau:[2]
Phát tín hiệu nguồn phát quang được dùng là laser.
Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng
khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua
sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp
7
đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách.
Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu
tố như tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu. Hệ
thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Khi dùng bộ
khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh
hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh.
Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều
chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là
bằng phẳng đối với tất cả các kênh.
Có hai loại truyền dẫn trong WDM, đó là truyền dẫn hai hướng hai sợi và
truyền dẫn hai hướng một sợi được trình bày trong hình 1.7.
Hệ thống WDM hai hướng hai sợi sử dụng hai sợi quang để truyền thông
tin cho chiều đi và chiều về. [Hình 1.7(a)].
Rx1
Tx1
λ1, λ2, λ3,...λN
Rx2
Tx2
MUX/
DEMUX
DEMUX
/MUX
Rx1
Tx1
Tx2
Rx2
(a) Hệ thống hai hướng hai sợi
Rx1
Tx1
λ1, λ2, λ3,...λN
Rx2
Tx2
MUX/
DEMUX
DEMUX
/MUX
Tx1
Rx1
λ(i+1), λ(i+2), ...λN+1
Rx2
Tx2
(b) Hệ thống hai hướng một sợi
Hình 1.7 (a) Hệ thống WDM hai hướng hai sợi; (b) Hệ thống WDM hai hướng một sợi
Hệ thống WDM hai hướng một sợi : các kênh cùng trên một sợi quang
truyền theo hai hướng khác nhau, dùng các bước sóng tách rời để thông
tin hai chiều, sử dụng một sợi quang để truyền thông tin hai chiều, trong
- Xem thêm -