BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO(DWDM) VÀ
THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN QUANG
NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ:23.04.3898
NGUYỄN THẾ NGỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN VŨ SƠN
HÀ NỘI 2007
1
2
LỜI CAM ĐOAN
Em cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của em.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ Luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú
thích, trích dẫn tham khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể.
Học viên thực hiện
Nguyễn Thế Ngọc
3
MỤC LỤC
Trang
Trang 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2
MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. 10
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 14
CHƯƠNG I
.CƠ SỞ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG ............................ 16
1.1. Giới thiệu về công nghệ ghép kênh theo bước sóng ............................ 16
1.2. Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng ( WDM) ...................................... 20
1.3. Giới thiệu các phần tử WDM làm việc theo nguyên lý tán góc ........... 22
1.3.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán góc .......................................... 22
1.3.2. Dùng cách tử làm phần tử tán góc ................................................. 23
1.3.2.1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng trong cách tử .............................. 23
1.3.2.2. Cách tử Bragg .......................................................................... 24
1.4. Các bộ lọc điện môi trong thiết bị WDM ............................................. 27
1.4.1. Phương pháp lọc điện môi đa lớp sử dụng trong thiết bị WDM ... 27
1.4.2. Các thiết bị lọc điện môi đa lớp ..................................................... 29
1.5. Một số kỹ thuật khác được sử dụng trong ghép kênh WDM ............... 31
1.5.1. Thiết bị WDM ghép sợi .................................................................. 31
1.5.2. Kỹ thuật dùng chung chức năng quang SOFT (SOFT: shared
optical function technolopy) ..................................................................... 33
1.5.3. Bộ ghép kênh điều hưởng được ( Tulable) ..................................... 35
1.5.3.1. Thiết bị lọc Fabry – Perot ........................................................ 36
1.5.3.2. Thiết bị lọc quang âm (tunable acousto-optic filters) .............. 37
4
1.5.4. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM ........... 38
1.6. Kết luận ................................................................................................. 43
CHƯƠNG II.
MỘT SỐ VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA
HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
......................................................................................................................... 44
2.1. Xuyên âm giữa các kênh ....................................................................... 44
2.1.1. Khoảng cách kênh bước sóng ........................................................ 44
2.1.2. Độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát ............................................ 47
2.1.3. Xuyên âm giữa các kênh bước sóng .............................................. 49
2.2. Suy hao và Quỹ công suất của hệ thống thông tin WDM ................... 49
2.3. Tán sắc và bù tán sắc ............................................................................ 50
2.3.1. Khái niệm tán sắc mode phân cực PMD ........................................ 51
2.3.2. Nguyên nhân tán sắc mode phân cực PMD ................................... 52
2.3.2. Ảnh hưởng của PMD lên quỹ công suất của hệ thống truyền dẫn 52
2.4. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ................................................ 53
2.4.1. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) ....................................... 54
2.4.2. Hiệu ứng XPM ( Cross Phase Modulation) ................................... 55
2.4.3. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) ............................................. 56
2.4.4. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) ............................... 58
2.4.5. Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scattering) ............................ 59
2.5. Kết luận ................................................................................................. 60
CHƯƠNG III
.PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN
QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG ............................................... 61
3.1. Cấu trúc tuyến thông tin quang ghép kênh theo bước sóng ................. 61
3.2. Phân tích các yêu cầu thực hiện thiết kế tuyến truyền dẫn quang theo
công nghệ DWDM ....................................................................................... 63
3.2.1. Thiết kế dựa trên quĩ công suất ...................................................... 64
5
3.2.2. Thiết kế dựa trên quĩ thời gian lên (rise-time budget) ................... 65
3.2.3. Thiết kế dựa trên OSNR (Optical signal to noise ratio) ................ 67
5.2.3.1. Tổng quan về OSNR ................................................................ 67
3.2.3.2. Kết quả tính toán mô phỏng..................................................... 70
3.2.3.3. Tính toán OSNR của tuyến truyền dẫn trong mạng đường trục
DWDM của VNPT ............................................................................... 77
3.2.4. Thiết kế dựa trên bù tán sắc ........................................................... 81
3.3. Thực trạng mạng truyền dẫn của VNPT ............................................... 84
3.4. Các thành phần chính của mạng thông tin quang ghép kênh theo bước
sóng mật độ cao (DWDM) .......................................................................... 92
3.4.1. Thiết bị khuyếch đại quang sợi ...................................................... 92
3.4.2. Khối tách / ghép kênh (MUX / DEMUX) ....................................... 96
3.4.3. Thiết bị OADM ............................................................................... 97
3.4.3.1. Chức năng thiết bị OADM ..................................................... 97
3.4.3.2. OPM – module giám sát hệ thống trong OADM: ................. 101
3.4.3.3. Module điều chỉnh cần bằng tán sắc DEM: .......................... 102
3.4.3.4. Một số sản phẩm OADM thương mại ................................... 103
3.4.4. Thiết bị kết nối chéo quang OXC ................................................. 105
3.4.5. Repeater........................................................................................ 106
3.5. Những yếu tố gây suy giảm chất lượng cần xem xét khi thiết kế hệ
thống WDM ............................................................................................... 106
3.5.1. Thiệt thòi về công suất do tán sắc gây ra .................................... 107
3.5.2. Thiệt thòi về công suất do chirp gây ra ....................................... 108
3.5.3. Thiệt thòi về công suất do ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến .. 109
3.5.4. Thiệt thòi về công suất do xuyên kênh trong các bộ MUX/DEMUX
................................................................................................................ 110
3.6. Kết luận ............................................................................................... 112
6
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 114
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................... 115
PHỤ LỤC
7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADM
Add/Drop multiplexer: Bộ ghép kênh xen/rẽ
APD
Avalanche photo Diode: Điốt quang thác APD
ASE
Amplified Spontaneous Emision: Bức xạ tự phát được
khuyếch đại
ATM
Ansynchronous Transfer Mode: Kiểu truyền dẫn không đồng
bộ
AWG
Array Wave Grating: Cách tử AWG
BA
Booster Amplifier: Bộ khuyếch đại công suất đầu phát
BER
Bit Error Ratio: Tỉ lệ lỗi bit
DCF
Dispersion Compensation Firber: Sợi bù tán sắc
DCG
Dispersion Compensation Grating: Cách tử bù tán sắc
DCM
Dispersion Compensator Module: Module bù tán sắc
DEM
Dispersion Equalization Module: Module điều chỉnh bù tán
sắc
DGD
Differential Group Delay: Trễ nhóm vi sai
DSF
Dispersion Shifted Fiber: Sợi tán sắc dịch chuyển
DST
Dispersion Supported Transmission : Phương thức truyền có
hỗ trợ tán sắc.
DWDM
Density Wavelength Division Multiplxer: Bộ ghép kênh theo
bước sóng mật độ cao
DXC
Digital Cross Connect: Bộ đấu nối chéo
EDFA
Erbium Doped Amplifier: Khuyếch đại quang Erbium
EDSFA
Erbium Doped Silic Based Fiber Amplifier: Bộ khuyếch đại
EDFA sử dụng trên nền bán dẫn Silic
EDTFA
Erbium Doped Tellurite Based Fiber Amplifier: Bộ khuyếch
8
đại EDFA sử dụng trên nền bán dẫn Telurium
FBG
Fiber Bragg Grating: Cách tử sợi Bragg
FTTH
Fiber to the home : Sợi quang tới nhà.
FWM
Four Wave Mixing: Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
IP
Internet Protocol:Giao thức IP
ISDN
Intergrated Service Digital Network: Mạng số đa dịch vụ
tích hợp
LA
Line Amplifier: Bộ khuyếch đại đường truyền
LAN
Local Area Network: Mạng nội bộ
LTmcs
Line Temination for multichannel system: Kết cuối đường
truyền cho hệ thống đa kênh
LWPF
Long Wavelength Pass Filter: Bộ lọc thông dải bước sóng
dài
M_nREP
Multichannel non Regenarative: đa kênh không trạm lặp
MOR
Multi- wavelength Optical Repeater: Trạm lặp đa kênh
quang
MS-
SPRING
Multiplex Secsion Share Protection Ring: Ring bảo vệ luồng
đoạn ghép kênh
NF
Noise Figure: Hệ số tạp âm
NL
Non-Linear: Phi tuyến
NrREG
Non regenarative Repeater: Trạm lặp không tái sinh
NRZ
Non Return to Zero : Mã không trở về 0
OA
Optical Amplifier : Bộ khuyếch đại quang
OADM
Optical Add/Drop Multiplexer: Bộ xen/rẽ bước sóng quang
OAS_m
Optical Amplifier Section for multichannel system: Đoạn
khuyếch đại quang cho hệ thống đa kênh
OC
Optical Channel: Kênh quang
ODM
Optical Demultiplexer: Tách bước sóng quang
9
OM
Optical Multiplexer: Ghép bước sóng quang
OPM
Optical Performance Monitor: Thiết bị giám sát chất lượng
mạng quang
OSC
Optical Supervisory/Service Channel: Kênh điều khỉên giám
sát quang
PA
Preamplifier: Bộ tiền khuyếch đại
PDH
Plesiochronous Digital Hierarchy: Phân cấp số cận đồng bộ
PDL
Polarization Dependent Loss: Suy hao phụ thuộc phân cực
PIN
Positive Intrinsic Nagative: Điốt PIN
PLC
Planar Lightwave Circuit: Vi mạch quang
PMD
Polarzation Mode Dispertion: Tán sắc mode phân cực
REG
Regenerator:Trạm lặp (3R)
RS
Regenerator Section: Đoạn lặp (3R)
SBS
Stimulated Brillouin Scattering: Tán xạ Brillouin
SDH
Sychronous Digital Hierarchy: Phân cấp đồng bộ số
SNR
Signal to Noise Ratio : Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SONET
Sychronous Optical Network :Mạng quang đồng bộ
SPM
Self Phase Mudulation : Tự điều pha
SRS
Stimulated Ramman Scattering: Tán xạ Ramman
STM
Synchronous Transport Module: Module truyền dẫn đồng bộ
SWPF
Short Wavelength Pass Filter : Bộ lọc bước sóng ngắn
TMN
Telecommunication Management Network : Mạng quản lý
Viễn thông
WDM
Wavelength Division Multiplexer: Bộ ghép kênh theo bước
sóng
XPM
Cross Phase Modulation : Điều chế pha chéo
10
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1: So sánh giữa các thiết bị bù tán sắc ............................................... 26
Bảng 2. 1: Tiêu chuẩn ITU-TG.652 về khoảng cách kênh bước sóng ........... 45
Bảng 3. 1.Các tham số cơ bản của tuyến truyền dẫn ...................................... 71
Bảng 3. 2.Các thông số tối ưu ứng với các tuyến truyền dẫn có chiều dài khác
nhau. ......................................................................................................... 75
Bảng 3. 3.Hệ số tán sắc tại bước sóng 1550nm .............................................. 83
Bảng 3. 4.Công suất dự phòng khi thiết kế tuyến thông tin quang WDM ... 111
11
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1.Cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi Silic trong vùng bước sóng
gần 1,3
µ
m và 1,55
µ
m ............................................................................ 20
Hình 1. 2.Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép bước sóng quang .................. 21
Hình 1. 3.Tán sắc trong lăng kính ................................................................... 22
Hình 1. 4. Sử dụng cách tử để tách bước sóng................................................ 24
Hình 1. 5. Nguyên lý cách tử bù tán sắc Bragg .............................................. 27
Hình 1. 6. Đặc tính truyền dẫn của bộ lọc1.3
µ
m – 1.5
µ
m chưa hiệu
chỉnh(
) Có hiệu chỉnh lý thuyết( ) Hiệu chỉnh thực
nghiệm(
) ......................................................................................... 28
Hình 1. 7. Đặc tính phản xạ của bộ lọc LWPF chưa hiệu chỉnh ..................... 29
Hình 1. 8. Đặc tính truyền dẫn bộ lọc SWPF chưa hiệu chỉnh ....................... 29
Hình 1. 9. Cấu trúc bộ tách ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên
sợi ............................................................................................................. 30
Hình 1. 10.Thiết bị lọc, tách bước sóng sử dụng thấu kính tròn và gương phản
xạ phẳng ................................................................................................... 30
Hình 1. 11. Đáp ứng ghép theo bước sóng của bộ ghép kênh 1300 - 1550nm
ghép nóng chảy hai sợi như nhau ............................................................. 32
Hình 1. 12. Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép nóng chảy nối tiếp các sợi
đơn mode ................................................................................................. 33
Hình 1. 13. Các bộ ghép SOFT 2 bước sóng .................................................. 34
Hình 1. 14.Ghép kênh Grating nhiều sợi theo phương pháp SOFT ............... 35
Hình 1. 15. Bộ lọc Febry-Perot cơ bản ........................................................... 36
Hình 1. 16. Bộ lọc quang âm........................................................................... 37
Hình 1. 17. Cấu tạo của một Waveguide trên nền đế Silic ............................. 39
Hình 1. 18. Cấu trúc cơ bản của một AWG .................................................... 40
12
Hình 1. 19. Dạng băng thông của AWG ........................................................ 41
Hình 1. 20. AWG và băng thông dạng Gaussian ........................................... 42
Hình 1. 21. AWG và băng thông dạng Flat-top ............................................. 43
Hình 2. 1. Sự phụ thuộc của penalty đầu thu .................................................. 53
Hình 3. 1.Sơ đồ khối tuyến WDM điển hình có EDFA .................................. 61
Hình 3. 2.Phương pháp xác định thời gian lên của hệ thống .......................... 65
Hình 3. 3.Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa Q – BER và công suất vào – Q
penalty ...................................................................................................... 69
Hình 3. 4.Sơ đồ của tuyến truyền dẫn WDM có sử dụng khuếch đại quang .. 70
Hình 3. 5.Quan hệ giữa OSNR theo các kênh tương ứng với Ptx=2dBm,
G=13dB và bộ EDFA đặt cách bộ phát quang 56km. Kênh số 4 tương
ứng với OSNR thấp nhất nên là kênh được chọn để khảo sát thêm mối
quan hệ giữa công tín hiệu, nhiếu, OSNR theo hệ số khuếch đại G của . 72
Hình 3. 6. Quan hệ giữa công suất nhiễu FWM, ASE và công suất tín hiệu của
kênh 4 với Ptx=2dBm theo hệ số khuếch đại G ....................................... 73
Hình 3. 7. Quan hệ giữa OSNR của kênh 4 tương ứng với Ptx = 2dBm theo hệ
số khuếch đại G của EDFA ...................................................................... 73
Hình 3. 8. Quan hệ giữa công suất (CS) nhiễu FWM, ASE và CS tín hiệu của
kênh 4 ứng với G=13dB theo CS Ptx. ...................................................... 74
Hình 3. 9. Quan hệ giữa OSNR của kênh thứ 4 ứng với G=13dB theo công
suất phát Ptx ............................................................................................. 74
Hình 3. 10. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại G, OSNR và
vị trí đặt EDFA tối ưu theo chiều dài các tuyến truyền dẫn khác nhau. .. 76
Hình 3. 11.Tuyến truyền dẫn Nam Định – Thanh Hóa ................................... 77
Hình 3. 12.Sơ đồ bù tán sắc trong kỹ thuật precompensation ........................ 82
Hình 3. 13.Sơ đồ bù tán sắc trong kỹ thuật postcompensation ....................... 83
Hình 3. 14.Sơ đồ mạng đường trục 40G của VTN ......................................... 90
13
Hình 3. 15.Cấu hình module khuếch đại quang MOR PLUS của nortel có
hoặc không có thiết kế DCM tầng giữa (MSA Mid-Stage Access) ......... 93
Hình 3. 16.Khuếch đại MOR PLUS trong tuyến DWDM .............................. 94
Hình 3. 17.Cấu hình kết cuối sử dụng thiết bị khuếch đại 1600G- bandC .... 94
Hình 3. 18.Bộ khuyếch đại công suất ............................................................. 95
Hình 3. 19.Khối MUX và DEMUX ................................................................ 97
Hình 3. 20.Cấu hình các module quang trong một thiết bị OADM .............. 100
Hình 3. 21.Kiến trúc OADM xen rẽ n bước sóng sử dụng MOR PLUS ...... 105
Hình 3. 22.Kiến trúc OADM xen rẽ 4 bước sóng sử dụng MOR PLUS ...... 105
Hình 3. 23.OXC với kết cấu chuyển mạch ................................................... 106
Hình 3. 24.Tán sắc tăng làm năng lượng penalty tăng ................................. 108
Hình 3. 25. Ảnh hưởng của phi tuyến đến chất lượng truyền dẫn ................ 110
14
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây chúng ta đã chứng kiến sự phát triển chưa
từng có về nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn, chính điều này đã sản sinh
ra một lượng thông tin rất lớn truyền tải trên mạng tạo ra nhiều áp lực mới
cho mạng hiện tại. Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hơn bao
giờ hết.
Để đáp ứng yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi
trường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn. Có hai giải pháp để mở
rộng dung lượng truyền dẫn đó là sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo thời gian
(TDM) và tăng số lượng bước sóng truyền trong sợi quang (WDM).
Ghép kênh theo thời gian là một kỹ thuật đã được hoàn thiện, tốc độ
truyền dẫn có thể đạt tới 10Gbps và có thể đạt cao hơn nữa. Tuy nhiên với tốc
độ bit lớn như vậy thì mức độ phức tạp của thiết bị ghép kênh và thiết bị điều
chế làm cho chi phí sản xuất trở nên quá cao, ngoài ra ảnh hưởng của các
tham số truyền dẫn đến chỉ tiêu của hệ thống tăng cùng tốc độ bit, tán sắc sợi
quang sẽ làm giảm cự ly đoạn lặp đáng kể khi độ rộng xung phát hẹp, tăng
công suất phát cũng làm tăng ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến làm ảnh
hưởng tới chất lượng truyền dẫn. Khi tốc độ truyền dẫn từ 10Gbps trở lên ảnh
hưởng của tán sắc phân cực mode sẽ lãm thay đổi các chỉ tiêu hệ thống và
giới hạn cự ly truyền dẫn.
Một ý tưởng hoàn toàn có lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời
nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang khác nhau có các bước sóng phát
khác nhau cho các nguồn thông tin độc lập. Kỹ thuật ghép kênh theo bước
sóng DWDM sẽ thực hiện ý tưởng này, trong đó mỗi bước sóng có thể mang
các kiểu lưu lượng khác nhau như các tốc độ STM-n của SDH, ATM hoặc
Ethernet Gigabit …, điều này có nghĩa là hệ thống DWDM có giao diện mở.
15
Đặc điểm này làm cho DWDM thích ứng linh hoạt trong môi trường lưu
lượng hoà trộn và mẫu lưu lượng thay đổi. Do đó DWDM trở thành công
nghệ tất yếu trong mạng truyền dẫn, hay cụ thể hơn là công nghệ tạo ra lớp
mạng quang trong tương lai.
Nội dung của đề tài gồm 3 chương:
Chương I : Cơ sở ghép kênh theo bước sóng.
Chương II : Một số vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống
DWDM
Chương III : Phương pháp thiết kế tuyến truyền dẫn quang ghép
kênh theo bước sóng
Còn rất nhiều vấn đề cần quan tâm trong mạng truyền tải quang, xong,
với hạn chế trong nội dung đề tài luận văn, em chỉ trình bày một khía cạnh
nhỏ,em rất mong sự đóng góp của thầy cô cũng như bạn bè để có thể tìm hiểu
sâu hơn nữa về công nghệ DWDM
