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 khi sự cố xảy ra. Nhờ việc chuẩn bị trước luồng quang dự phòng mà phương thức bảo vệ có thể đảm bảo khôi phục 100% khỏi sự cố với điều kiện 2 sự cố không xuất hiện đồng thời. Trong khi đó, phương thức khôi phục tìm cách xác định đường đi và bước sóng cho tuyến dự phòng sau khi sự cố xảy ra. Bởi vậy, phương thức khôi phục có thể không khắc phục được sự cố nếu thiếu tài nguyên, chẳng hạn không có đủ bước sóng cho tuyến dự phòng. Hơn thế nữa, phương thức khôi phục có xu hướng tiêu tốn nhiều thời gian hơn để khắc phục sự cố nếu so sánh với phương thức bảo vệ, đó là thời gian để xác định tuyến dự phòng. Xác định đường đi và gán bước sóng cho tuyến hoạt động/dự phòng được gọi là phương thức thiết kế cấu hình mạng logic. Phần lớn các cách thức thông thường để thiết kế cấu hình mạng logic có bảo vệ/khôi phục mạng đều tập trung vào việc giảm thiểu số bước sóng cần sử dụng hoặc giảm thiếu xác suất từ chối thiết lập tuyến quang, trong đó xác suất này là xác suất mà các yêu cầu thiết lập tuyến quang bị từ chối do thiếu tài nguyên mạng. Nhiều nghiên cứu đã được triển khai, trong đó đa số tập trung vào giảm bước sóng cần thiết bằng cách cho phép các tuyến dự phòng dùng chung tài nguyên bước sóng, hoặc đưa ra khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS) của khả năng hồi phục lỗi. Một số nghiên cứu dựa trên mô hình khôi phục lỗi theo xác suất trong đó chỉ có phần lưu lượng mà người dùng đã xác định trước mới được khôi phục sau sự cố. Bài luận này giới thiệu chất lượng tin cậy QoR là đơn vị định lượng QoS mới để dựa theo đó xây dựng các tuyến quang có độ tin cậy cao. Trong đề xuất QoR này, việc xây dựng mạng có độ tin cậy cao quan trọng hơn rất nhiều so với việc sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng, đặc biệt khi mà số lượng bước sóng sử dụng trong các mạng WDM hiện nay đang ngày càng tăng. Điều đó đồng nghĩa với việc cần xây dựng một cấu hình topology logic có sử dụng tài nguyên bước sóng thật sự hiệu quả để đảm bảo thời gian khôi phục sau sự cố cũng như đảm bảo khôi phục 100% sự cố. Tiếp đó, bài luận đề xuất thuật toán thực nghiệm để thiết kế cấu 2 hình logic cho mạng thoả mãn yêu cầu QoR của từng kết nối và sau đó so sánh với một vài thuật toán khác về mặt số lượng bước sóng cần thiết để xây dựng cấu 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 đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ thứ 3 bước sóng 1550nm (băng C). Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng. Bốn cửa sổ đã trình bày được Hình 1.1. Vùng bước sóng minh hoạ như trên hình 1.1 Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2 bước sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc 1310nm) và được gọi là WDM băng rộng. Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất hiện công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz. Đến giữa những năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triển với 16 đến 40 kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz. Cho đến cuối thập kỷ 90, các hệ thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách mỗi kênh là 50 thậm chí 25 GHz. 4 1.2. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. 1.2.1. Lớp quang Trong hệ thống phân cấp mạng theo lớp, lớp quang có chức năng cung cấp dịch vụ cho các lớp mạng cao hơn như SONET/SDH, IP, ATM... Có thể coi các lớp này là các lớp khách hàng (client) còn lớp quang là lớp phục vụ (server). Lớp quang được chia nhỏ thành các lớp con. Một định nghĩa về lớp con đã được đề xuất tại khuyến nghị G.872, theo đó, lớp quang được chia thành 3 lớp con: lớp kênh quang OCH, lớp đoạn ghép kênh quang OMS và lớp đoạn truyền dẫn quang OTS như được chỉ ra trên hình vẽ. Hình 1.2 Phân cấp mạng quang theo lớp Hình 1.3. Kiến trúc mạng truyền tải quang [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. Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật truyền dẫn trên sợi quang sử dụng các bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp theo ký tự. Qua quá trình phát triển công nghệ khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM. Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữ hai khái niệm trên, DWDM nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống. Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn. Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ 0,5 nm. Hệ thống thiết bị này đã được thương mại hoá. Ngày nay khi nói đến WDM người ta thường liên tưởng đến DWDM bởi vì sự hiện diện khắp nơi của những sản phẩm thiết bị loại này. Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm. Trong trường hợp cần có sự phân biệt giữa hai khái niệm này sẽ có phần chú thích kèm theo. Như đã nói ở trên các hệ thống DWDM thường được ứng dụng trong cấp mạng đường trục (mạng trung kế) xuất phát từ nhu cầu thực tế. Tuy nhiên cho đến nay mặc dù chưa có tác động mạnh mẽ đến thị trường mạng nội hạt nhưng DWDM đã chiếm được vị trí chắc chắn trong kế hoạch phát triển mạng tương lai của nhiều nhà khai thác. Điều này là bởi, thứ nhất áp lực lớn từ các dịch vụ Multimedia và đặc biệt là Internet đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải giải quyết bài toán dung 6 lượng truyền dẫn; thứ hai công nghệ chế tạo phần tử và thiết bị truyền dẫn quang đã gần đạt tới sự hoàn thiện, hơn nữa do ứng dụng cho mạng nội hạt (khoảng cách truyền dẫn thường ngắn) nên không đòi hỏi các phần tử quang phẩm chất cao bởi vậy giá thành đã hạ xuống đáng kể. b. Hệ thống WDM và các phần tử cấu thành Hệ thống WDM hoàn toàn tương tự như hệ thống TDM truyền thống, nó bao gồm: các bộ phát và thu ở hai phía, sợi quang và các bộ lặp ở giữa. 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 λ1 λ2 λN Rx1 Rx2 RxN λ1 λ2 λN λ1, λ2 ... λN M U X D E M U X EDFA EDFA λ1, λ2 ... λN Tx1 Tx2 TxN λ1 λ2 λN Rx1 Rx2 RxN λ1 λ2 λN λ1, λ2 ... λN M U X D E M U X EDFA EDFA 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: - Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù công nghệ còn phát triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn. - Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn. Tuy nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương. 1.2.3. Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM 1.2.3.1. Nguồn phát a. Yêu cầu đối với nguồn phát 8 - Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng các nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài. Tuy nhiên trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR có duy nhất một vạch phổ trong dải phổ của nó. Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống và dung sai của các phần tử. - Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh hưởng không mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống. - Nguyên nhân của hiện tượng này là do mức năng lượng cao trong hốc cộng hưởng của Laser và trên bề mặt phản xạ sẽ sinh ra sự thăng giáng vật liệu trong suốt thời gian hoạt động và gây nên sự trôi bước sóng phát. - Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt trong mạng quảng bá. Khả năng điều chỉnh của bộ phát lẫn bộ thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống. - Trong các hệ thống WDM hiện nay không đòi hỏi sử dụng các bộ phát thu khả chỉnh. Tuy nhiên do các nhà máy sản xuất linh kiện này chỉ chế tạo ở một số hữu hạn bước sóng nên để đảm bảo tính đa dạng trong việc chọn lựa bước sóng hoạt động thì có bộ phát khả chỉnh, hơn nữa điều này còn 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 thiết bị vi quang học và sợi SM. Tổn hao của bộ ghép bước sóng thứ i được tính như sau:     Φ Φ= oi ii iL log10 [dB] (1.1) trong đó: Φii là năng lượng đưa vào bộ ghép ở bước sóng thứ i Φoi là năng lượng đưa ra bộ ghép ở bước sóng thứ i Khác với các phần tử quang thụ động thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước sóng, tức là với bước sóng thứ i thì suy hao xen được tính là:   −= )( )( log10 ii i i I O L λ λ [dB] (1.2)   −= )( )( log10 i ii i I OL λ λ [dB] (1.3) trong đó: • O(λi) và I(λi) là công suất tín hiệu ra và vào ở bước sóng thứ i trên kênh chung • Ii(λi) và Oi(λi) là công suất tín hiệu ở bước sóng thứ i đi vào bộ MUX và đi ra bộ DMUX - Xuyên kênh: Xuyên kênh là sự xuyên nhiễu tín hiệu từ kênh này sang kênh khác, nói cách khác là sự xuất hiện của tín hiệu kênh này trong kênh lân 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 λ λλ (1.4) với Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng thứ k (λk) do có sự dò tín hiệu ở của ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi. Có hai loại xuyên âm: • Xuyên âm đầu gần: là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở trong thiết bị, như Ui(λj), thường xảy ra trong hệ thống ghép bước sóng một hướng. • Xuyên âm đầu xa: là do các kênh khác ở đầu vào gây ra trong bộ ghép, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk), 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 ≤ 0.5 ở vùng bước sóng 1310 nm ≤ 0.3 ở vùng bước sóng 1550 nm Hệ số tán sắc ≤ 3.5 (1285 -1330 nm) ≤ 6 (1270 - 1340 nm) ≤ 20 (1550 nm) Dạng mặt cắt chiết suất Thường có dạng mặt cắt chiết suất phân bậc Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly ∼ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà không cần sử dụng các bộ bù tán sắc. Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách ∼ 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc. 11 Cũng vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy ra trong sợi SMF. b. Sợi DSF (theo ITU G.653) Bảng 1.2. Các tham số của sợi DSF Các tham số Giá trị Đường kính trường mode tại 1550nm (7.0÷8.3) µm ± 10% Đường kính vỏ phản xạ 125 µm ± 2,4% (± 3 µm) 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 Của vỏ phản xạ ≤ 2% 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 Của vỏ phản xạ ≤ 2% 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 <0.35dB/km ở vùng 1550nm Hệ số tán sắc 0.1ps/nm.km ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 6.0ps/nm.km và 1530nm ≤ λmin ≤ λmax ≤ 1565nm Tán sắc mode phân cực < 0.5 ps/km Tán sắc của loại sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc độ 10 Gb/s trên khoảng cách 300 - 400 km mà không cần bù tán sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm ảnh hưởng của FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530 - 1565 nm). Vì vậy loại 12 sợi này đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn. 1.2.3.4.Đầu thu (bộ tách sóng quang) a. PIN - Hiệu suất lượng tử (QE): là tỷ lệ giữa số electron thu được tại vùng chuyển tiếp và số photon tới. Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là 1 nếu có 1 photon tới thì giải phóng 1 electron. QE phụ thuộc vào bước sóng hoạt động. - Độ đáp ứng: Độ đáp ứng quan tâm đến năng lượng photon. Nó được đo 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 bước sóng 1300nm, việc nghiên cứu vẫn tiếp tục dựa trên kích thích Neodymium và Praseodymium. 13 a. Phân loại khuếch đại trong hệ thống Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là khuếch đại công suất (Booster Amplifier- BA), tiền khuếch đại (Preamplifier-PA) và khuếch đại đường truyền (Line Amplifier - LA): - BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn được sử dụng ngay sau Tx để tăng mức công suất tín hiệu. Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp âm ASE có thể bỏ qua. Vì vậy đối với BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm. BA có thể tách riêng hoặc tích hợp với Tx (gọi là OAT). - PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu. Sử dụng PA, độ nhạy thu được tăng lên đáng kể. Để đạt được mức tạp âm ASE thấp, trong PA người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp. PA có thể tách riêng hoặc tích hợp với Rx (gọi là OAR). - LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền giữa 2 đoạn sợi quang. Tùy theo chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với các hệ thống có sử dụng LA, đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Tại mỗi LA, kênh giám sát này được chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin cảnh báo), sau đó lại được phát lại vào đường truyền. b. Yêu cầu đối với EDFA sử dụng cho WDM: - Đặc tính khuếch đại của EDFA: Đặc tính khuếch đại của EDFA có tính phi tuyến, tức đặc tính phổ khuếch đại không đồng nhất trong băng tần khuếch đại. Điều này dẫn đến một số kênh được khuếch đại cao trong khi số khác lại được khuếch đại thấp; trong trường hợp sử dụng nhiều bộ khuếch đại này trên đường truyền sẽ ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ 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: ƒ 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. Qua thống kê cho thấy chỉ có rất ít khả năng tất cả các kênh có cùng trạng thái phân cực tại cùng thời điểm. Xác suất xuất hiện là vẫn có nhưng rất nhỏ. Do đó khả năng xảy ra cả hai trạng thái phân cực ứng với mức công suất như nhau tại cùng thời điểm. ƒ Suy hao phụ thuộc phân cực (PDL): phần lớn các bộ EDFA khuếch đại tín hiệu trong một trạng thái phân cực cao hơn chút xíu so với tín hiệu phân cực trực giao. Điều này là do sự phụ thuộc phân cực của các phần tử quang (trong đó có EDFA) và hướng phân cực của tín hiệu bơm. ƒ Tán sắc mode phân cực (PMD): PMD chủ yếu xuất hiện trong sợi quang. Đây là một hình thái khác của tán sắc. PMD hoạt động trên cơ sở từng kênh nên không có sự khác biệt nào giữa môi trường đơn kênh và đa kênh. Ngoài ra, ảnh hưởng này rất nhỏ trong phần lớn hệ thống tốc độ kênh thấp dưới 10 Gbit/s. 1.3. Xuyên nhiễu Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM là xuyên nhiễu giữa các kênh bước sóng. Trong hệ thống WDM, xuyên nhiễu có thể do nhiều nguyên nhân gây ra nhưng có thể chia làm 2 loại chính sau: • Xuyên nhiễu tuyến tính: Do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh. Mức độ xuyên âm chủ yếu phụ thuộc và kiểu thiết bị tách sóng được sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh. Thực tế thì khoảng cách giữa các kênh lại được xác định bởi thiết bị tách kênh và mức xuyên âm cho phép. • Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến gây nên. 15 1.3.1. Suy hao [5] Năng lượng tín hiệu ánh sáng sẽ bị suy giảm theo hàm số mũ khi truyền trong sợi cáp quang và có thể được biểu diễu dưới dạng toán học theo đơn vị logarith như sau: LLPP kmdBdBmdBm /)()0( α=− (1.5) trong đó αdB/km là suy hao của sợi cáp, tính bằng [dB/km] L là chiều dài sợi cáp [km] PdBm (0) là công suất tín hiệu quang tại đầu phát [dBm] PdBm (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 // 23026.010 )10ln( ααα ≈= (1.6) 1.3.2. Tán sắc Khi xung ánh sáng truyền trong sợi quang, các thành phần khác nhau (tần số khác nhau hoặc mốt khác nhau) sẽ lan truyền với tốc độ không đồng nhất. Quá trình này được gọi là tán sắc, kết quả là xung bị trải rộng và tín hiệu các bít liền kề sẽ chồng lấn nhau. Hiện tượng này được gọi là giao thoa giữa các ký hiệu ISI. 1.3.2.1.Tán sắc vận tốc nhóm GVD [5] Khi xung ánh sáng truyền trong sợi quang, các thành phần khác nhau (tần số khác nhau hoặc mốt khác nhau) sẽ lan truyền với tốc độ không đồng nhất. Quá trình này được gọi là tán sắc, kết quả là xung bị trải rộng và tín hiệu các bít liền kề sẽ chồng lấn nhau. Có 2 kiểu tán sắc là tán sắc do vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng (waveguide). Khai triển hằng số truyền sóng β(ω) tại tần số ω0 ta được: 3 03 2 02010 )(6 1)( 2 1)()()( ωωβωωβωωββωωωβ −+−+−+== 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 ωβωβ =∂ ∂= k k k với k = 0,1,2,3. 16 Hệ số βk, k = 0,1,2,3 được diễn dịch như sau: • β0 thể hiện độ lệch pha trong quá trình truyền sóng. • β1 là nghịch đảo của vận tốc nhóm vg xác định tốc độ của năng lượng lan truyền trong sợi cáp. • β2 mô tả sự phụ thuộc vào tần số của nghịch đảo vận tốc nhóm. Nó xác định sự giãn rộng của xung. Hiệu ứng này được gọi là tán sắc màu hoặc tán sắc vận tốc nhóm. • β3 là độ dốc của GVD hay còn gọi là GVD bậc 2. Nó thể hiện sự phụ thuộc vào tần số của GVD và bởi vậy thể hiện các đặc tuyến giãn rộng khác nhau của các tín hiệu truyền ở các tần số khác nhau. Thông thường, người ta hay xác định sự phụ thuộc của nghịch đảo vận tốc nhóm theo bước sóng hơn là theo tần số. Sự phụ thuộc này được mô tả bởi tham số tán sắc D và độ dốc theo bước sóng S: 22 21 βλ π λ c vd dD g −==    +== 233 2 11)2( βπβλλ π λ c c d dDS (1.8) D cvd d g π λ ωβ 2 1 2 2 −== )2()2( 2 3 2 3 DScd d +== λπ λ ω ββ 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 dz d dTT g λλλλλ ∆=   ∆=∆≈∆ 1 (1.9) 1.3.2.2.Tán sắc màu Tán sắc màu đặc trưng cho mỗi sợi cáp, mỗi sợi cáp khác nhau có tán sắc màu khác nhau. Điều nghịch lý là ở chỗ sợi cáp đơn mốt chế tạo từ Silic không có tán sắc màu tại cửa sổ 1.3µm nhưng lại tán sắc đáng kể tại cửa sổ 1.55µm, nơi suy hao là thấp nhất. Tuy nhiên tán sắc lại là hiện tượng tuyến tính và hoàn toàn có thể bù được. Hiện nay, loại sợi dịch tán sắc DSF, ở đó bước sóng mà tán sắc bằng 0 được dịch đến cửa sổ 1.55µm đang được nghiên cứu để phục vụ mục đích trên. DSF hoàn toàn phù hợp với các hệ thống SDH cũ tốc độ cao (10Gbps hoặc hơn) nhưng lại không thích hợp với hệ thống WDM chủ yếu do ảnh hưởng tiêu cực của hiệu ứng trộn bốn sóng FWM và các hiệu ứng phi tuyến khác. 1.3.2.3.Tán sắc mốt phân cực PMD Tán sắc mốt phân cực là đặc trưng cơ bản của sợi quang đơn mốt, hiện tượng này là do lõi sợi quang không tròn một cách hoàn hảo. Điều này làm cho các phân cực khác nhau của một tín hiệu sẽ truyền với các vận tốc khác nhau (phân cực của ánh sáng lan truyền trong sợi quang đơn mốt là hướng của vector điện trường trên mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng). PMD làm giãn rộng xung tín hiệu và về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng không khác tán sắc nói chung 17 ngoại trừ tán sắc là hiện tượng tương đối ổn định trong khi PMD của sợi đơn mốt ở bất cứ bước sóng nào đều không ổn định. 1.3.3. Các hiệu ứng phi tuyến Các hiệu ứng phi tuyến trong thông tin quang có thể được chia làm 2 loại. Loại thứ nhất là hiệu ứng tán xạ kích thích (Raman và Brillouin) và loại thứ 2 là các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr do sự thay đổi chiết suất vật dẫn theo công suất quang. Trong khi tán xạ kích thích là nguyên nhân gây ra tăng ích hoặc suy 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 n0 là chiết suất tuyến tính n2 là hệ số chiết suất phi tuyến So sánh với các môi trường phi tuyến khác, n2 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 φ0 ở các tần số mang khác nhau vào sợi cáp quang, điều chế pha của tín hiệu ở kênh m sẽ phụ thuộc vào phân bố công suất của tất cả các kênh như sau:    ++=− ∑ ≠mk kmmmm tIzntIznznzt )(2.)(. 2),( 22,0,0 λ πφφ (1.11) trong đó φm(t,z) là điều chế pha của kênh m φ0,m là pha ban đầu của kênh m. n0,m là chiết suất tuyến tính của kênh m. n2 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 ω1 và ω2 bị hấp thụ để tạo ra 2 photon ở tần số ω3 và ω4 sao cho: 4321 ωωωω +=+ (1.13) Cũng có thể coi việc này giống như trộn 3 sóng lại để tạo ra 1 sóng mới có điện trường: { } [ ]{ }zjtjEEEEEEE mlkmlkmlkmlkklm )()()(exp)(exp* ωβωβωβωωω −+−−+== (1.14) trong đó [ ]{ }ztjEEE iiiii )(exp)( ωβωω −== là cường độ điện trường của sóng tại tần số ωi. β(ωi) là hằng số truyền modal ở ωi. ωklm = ωk + ωl - ωm là tần số sóng của Eklm. Năng lượng của sóng Eklm được coi là xếp chồng của các tần số trộn ωklm. Cũng cần chú ý rằng hằng số truyền sóng là phụ thuộc vào tần số. Điều kiện hợp pha: ∆β → 0 với ∆β(ω) = β(ωk) + β(ωl) - β(ωm) - β(ωklm) (1.15) 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:       −++−−−=∆ ωωωββωωωωωβ 2 ))(()( 32 kl mlmk        +    −++    −     −= DScDc klmlmk 22 2 2 00000 ω π ω ω ω ωω ω ωω ω ωωπ (1.16) trong đó ω0 là tần số tham chiếu của D và S. Năng lượng của sóng mới tạo ra tỷ lệ với năng lượng của 3 sóng tương tác: 22 ))()()((~)( zEzEzEzE mlkklm η (1.17) trong đó η là hiệu suất quá trình FWM và phụ thuộc vào điều kiện hợp pha ∆β theo công thức:     −− ∆−+∆+= 2 2 2 2 )]exp(1[ )2/sin()exp(41 z zz α βα βα αη (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 −+= Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra. Tuy nhiên với môi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách truyền dẫn tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt được: • Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Hơn nữa nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng hệ thống. • Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại do đó sẽ làm giảm BER của hệ thống. Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ 1550nm và do tán sắc của sợi quang đơn mốt thông thường G.652 tại cửa sổ này lớn hơn 0 (xấp xỉ bằng 0 đối với sợi dịch tán sắc G.653) nên hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mốt thông thường sẽ ít bị ảnh hưởng bởi FWM hơn đối với làm việc trên sợi dịch tán sắc. • Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức công suất phát mỗi kênh lớn. Do vậy FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM. • Tổng số các thành phần mới được tạo ra có thể tính như sau: )( 2 1 23 NNm −= với N là số kênh ban đầu 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 hướng bơm thêm năng lượng cho sóng tán xạ. Tiến trình hồi tiếp dương này có thể tạo nên sự bùng nổ theo hàm mũ ở sóng tán xạ SBS. Tán xạ SBS làm suy yếu tín hiệu phát vì tạo ra sự tăng ích theo hướng ngược với phương truyền sóng ánh sáng, nghĩa là hướng ngược về phía nguồn phát. Ngưỡng SBS được định nghĩa tỷ lệ với:     ∆+ B s B th B v v g P 11~ (1.20) trong đó gB là hệ số tăng ích Brillouin ∆vS là độ rộng phổ tín hiệu ∆vB 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 khoảng thời gian tính bằng giây. OXC được xem như nền móng cho lớp mạng quang, nó đem lại cho người sử dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độ duy trì mạng cao. Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong môi trường mạng đường trục. Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trông đợi nhiều ở tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt. Rào cản hiện tại của những thiết bị này trong mạng thực tế đó là giá thành. Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở mức bước sóng cho khôi phục mạng hoặc thích ứng đối với những thay đổi nhu cầu băng tần. Một số chức năng của OXC hiện nay: - Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và kết nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ bước sóng. - Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có. - Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp cho mạng - Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng. - Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng. Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi quang). Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang không gian lớn nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện trong các thiết bị đấu nối chéo quang của mình. Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị được quảng cáo ngày nay của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network, Sycamore được phát triển trên nền này. Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong kiểu OXC này thường là 2,5Gbit/s. Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các bị OXC này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn, kích thước chuyển mạch nhỏ (<32x32), số lượng chuyển mạch lớn, trọng lượng 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) λ1 λ2 λ1 λ2 λ1 λ2 λ1 λ2 λ1 λ2 λ1 λ2 a. b. c. 23 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. - Công suất tín hiệu (cho mỗi kênh): Một trong các yếu tố để đánh giá hệ thống là nhu cầu làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại. Chi phí cho các bộ khuếch đại không phải là vấn đề chính. Chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng chúng tại các trạm dọc theo tuyến cáp cao hơn khá nhiều so với chi phí cho các bộ khuếch đại. Vì vậy cần phải tăng tối đa công suất cho mỗi kênh. Tuy nhiên có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm hạn ch