Hệ thống truyền thông quang học

D. Bayart

267

Hệ thống truyền thông quang học dùng bộ ghép nhiều bước sóng WDM

Dominique Bayart

ALCATEL CIT

Route de Nozay 91461 Marcoussis cedex

[email protected]

D. Bayart

268

Dominique Bayart tốt nghiệp từ năm 1990 Trường Đại Học Vật lý Grenoble (ENSPG) và tốt nghiệp DEA tại Trường Đại Học Grenoble 1. Ông về làm việc tại Phòng Nghiên cứu và Cách tân của công ty Alcatel ở Marcoussis (Pháp) năm 1991. Sau hai năm nghiên cứu trong đơn vị nghiên cứu về Linh kiện Quang điện tử, ông sang làm việc tại đơn vị nghiên cứu về Các hệ thống truyền tín hiệu photonic, nơi mà ông đã thiết kế các thế hệ khác nhau của bộ khuếch đại dùng cho việc ghép nhiều bước sóng (WDM). Các thiết bị này được sử dụng cho đến nay trong các hệ thống truyền thông tin trên mặt đất và dưới biển. Từ năm 1998, ông lãnh đạo nhóm nghiên cứu Khuếch đại Quang học và từ năm 2001 ông đồng thời là Phó phòng của Đơn vị Truyền tín hiệu phôtônic. Nhiệm vụ này đã tạo cơ hội cho ông đóng góp vào nhiều kỷ lục thế giới về dung lượng truyền cho hệ thống trên mặt đất và hệ thống dưới biển. Ông đã được mời tham gia nhiều hội nghị khoa học quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu này, như là OFC, ECOC, OAA hay LEOS. Ngoài các bài báo khoa học, ông đả đóng góp vào hơn 25 bằng phát minh và hai cuốn sách chuyên đề [1,2]. Từ năm 1998 đến năm 2001, ông đã tham gia vào Ban kỹ thuật của hội nghị khoa học về các bộ khuếch đại và ứng dụng (OAA). Hiện nay ông là thành viên của các Ban kỹ thuật của các hội nghị khoa học OFC (Optical Fiber Communication Conference, USA) và CLEO Châu Âu (Conference on Lasers and Electro-Optics). Từ năm 2001 ông là thành viên đặc biệt của Viện Hàn Lâm Kỹ thuật Alcatel (Académie Technique d’Alcatel). [1] D. Bayart et E. Desurvire, “Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Device and System Developments” (Wiley) [2] “Undersea Fiber Communication Systems”, édité par J. Chesnoy (Academic Press)

D. Bayart

269

1

WDM Transmissions, D. Bayart 1

Optical WDM transmissions

All rights reserved © 2004, Alcatel, Paris.

Dominique BayartAlcatel Research & Innovation

91460 Marcoussis - France

Contact : [email protected]

Bài giảng này nhằm mục đích đưa ra các khái niệm chính được vận dụng trong lĩnh vực truyền số bằng sợi quang học. Tất nhiên đây chủ yếu là phần giới thiệu và để có một ý tưởng đầy đủ hơn ta nên xem các công trình được tổng kết ở cuối bài giảng này. Số lượng lớn các công trình báo cáo ở đây được thực hiện ở trung tâm Nghiên cứu Corporate, Viện nghiên cứu và đổi mới của Alcatel (Alcatel R&I)

2


Plan

Market system needsSystem characteristics of EDFAs for WDM systemso Time , Gain and Noise performanceo Impact of gain on Signal to Noise ratio for multi-span chains

System characteristics of Raman amplifications for WDM systemso Gain and noise performanceo Issue of Double-Rayleigh Scatteringo System benefit

Propagation effects in WDM transmissiono Effect of Chromatic Dispersiono Non-linear effectso Effect of Polarisation Mode Dispersion

Mitigation techniques o Dispersion managemento Forward error correction codeso High capacity experiments

Sau khi đề cập đến các nhu cầu của thị trường, chúng tôi sẽ nói đến các đặc tính của hệ thống EDFAs (erbium-doped fiber amplifier : khuếch đại dùng sợi pha tạp Erbi) được sử dụng trong các ứng dụng WDM (ghép kênh phân chia theo bước sóng) (wavelength division multiplexing). Sau đó, các khía cạnh tương đối về khuếch đại Raman sẽ được trình bày. Các hiệu ứng vật lý hình thành trong quá trình truyền của các kênh trong một sợi quang truyền qua WDM sẽ được mô tả và các phương tiện để bù trừ chúng sẽ được phân tích. Song song đó là các ví dụ về truyền số dung lượng cao cũng sẽ được trình bày.

3


MetroCore

Services

OpticalCore

MetroCore

MetroAccess

MetroAccess

MetroAccess

MetroAccess

Services

Data Transport Optical NetworkServices

Voice

DSL

2/3G Mobile

Digital Video Broadcast

/VoD

HS Internet Access

O-VPN

L1 VPNs/LL

L2 VPNs

Metro Ethernet

Data Storage

SAN

TDMEthernet

ATMTransparentFC/ESCON

Mạng truyền các dữ liệu số được cung cấp từ các dữ liệu đến từ các nguồn ứng dụng và dịch vụ khác nhau. Được tập hợp lại trong các vòng (boucles) của mạng truy nhập, các dữ liệu này sau đó sẽ được vận chuyển đến cấp vùng (tới khoảng cách vài trăm kilomét) nằm trong các vòng của mạng cấp vùng (réseau métro cœur). Các dữ liệu cần phải được truyền trên các khoảng cách dài thông qua mạng đường trục (dorsal cœur) « backbone core »

D. Bayart

270

4


Data Transport Optical Network

Cost shared by high count of end-usersRedundancy owing to a dual-link ring architecture

Metro Access:(amplifier-less)

Metro Access (amplifier-less)

Metro Access:(amplifier-less CPE ring)

12 km

7 km

8 km

6 km

9 km

15 km 15 km

2 km10 km

22 km

8 km

CP 6CP 5

CP 4

CP 1 CP 3

CP 2

5 km

5 km

5 km

1 km4 dB

5 km

2 km

2

1

4 dB

4 dB

3 dB

3 dB

8 km

3 dB

3 dB

3 dB

12 dB

4 dB

3 dB4 dB

5 dB

4 dB

7 dB7 dB

5 dB

6 dB

Available Line Amplifier LocationCP Customer Premises

4

2

Metro Core:Amplified ring

METRO CORE> Efficient Transport of Aggregated Traffic over SDH/WDM towards the Optical Core

Amplified ring

METRO ACCESS> Differentiation of Access Interfaces

and Class of Services> Circuit & Packet Traffic Aggregation> Per-flow QoS

Mạng cấp vùng vận chuyển với dung lượng rất lớn đến từ tập hợp các dữ liệu, chúng đến hoặc từ mạng đường trục hoặc từ mạng truy cập. Giá thành của mạng cấp vùng và do đó, của mạng đường trục được chia sẻ bởi một số lượng lớn người sử dụng cuối cùng có liên quan. Điều này tạo ra một giá thành tương đối cao hơn, và vì vậy các công nghệ phải được phát triển hiện đại hơn so với trong mạng truy nhập. Trong trường hợp các mạng cấp vùng, một cấu trúc vòng kép (double anneau) với việc truyền theo hai chiều ngược nhau sẽ bảo đảm việc bảo vệ các dữ liệu của mạng trong trường hợp cáp bị hỏng (suy yếu) (bao gồm cả trường hợp nếu hai sợi đều bị đứt). Thực vậy, tập hợp thông tin của một sợi có thể được chuyên mạch lật theo hướng ngược lại trên sợi bảo vệ.

5


Why do we need high bit-rate optical transmissions ?

Transmission line(optical backbone)

Multiplexer Demultiplexer

Switchingsystems

Accesssystems

Traffic concentration in the backbone (multi-gigabit/s)Need for high bit-rate optical transmissions

Mạng đường trục (hay còn gọi la mạng vận tải) là một trục tập trung thông tin phải được chuyển đi từ phần này của mạng đến phần khác. Vậy các khả năng truyền tin của nó phải là cao nhất trong toàn bộ mạng.

6


Traffic evolution

Speed-up of traffic increaseNew access network deployments (ADSL, Mobile Infra, FTTx, …)

New Data Services

Need for bandwidth twice larger than traffic to ensure :

Quality of ServiceProtectionAvailabilityPeak Traffic

Cost per bit transmitted is paramountNeed for increase in network capacity

Thông tin được truyền tải bởi mạng đường trục được tăng dần theo cấp số mũ. Thực vậy, các công nghệ mới được triển khai trong lòng mạng truy nhập gắn với sự bùng nổ thông tin dữ liệu và gắn với các nhu cầu mới về các dịch vụ dữ liệu. Điều này làm tăng nhu cầu về băng truyền với một sự gia tăng rất mạnh được trông đợi trong những năm tới. Mạng đường trục, hiện nay rõ ràng là bị quá tải, cần phải đối mặt với nhu cầu trên bằng việc tăng toàn bộ công suất truyền tải. Vả lại, để vừa đảm bảo được chất lượng dịch vụ, bảo vệ dữ liệu, tình trạng sử dụng được của

D. Bayart

271

mạng (nhất là trong giờ cao điểm về thông tin), cần phải tạo ra khả năng cung ứng gấp đôi nhu cầu về thông tin. Song song với đó là giá thành của mỗi bit truyền tải phải ưu tiên hàng đầu và nó xác định công nghệ nào sẽ được sử dụng.

7


What is Wavelength Division Multiplexing (WDM)

STM-64terminal16 x STM-4 16 x STM-43RSTM-646

terminal 3R 3R STM-646terminal16 x STM-4 16 x STM-43RSTM-64















terminal 3R 3RN

transmitters

STM : Synchronous Transfer Mode

WDM là một kỹ thuật hữu ích bao gồm việc ghép nối các kênh ở trong lòng cùng một sợi quang học thay cho việc xử lý chúng riêng rẽ bằng tín hiệu điện.

8


What is Wavelength Division Multiplexing (WDM)

STM-64terminal 16 x STM-4

STM-64terminal 16 x STM-4

16 channels

DEMUX

16 x STM-4 STM-64terminal

16 x STM-4 STM-64terminal

MUX

> WDM = economical solution to reach multiterabit/s capacity

N channels

Total Capacity = N x channel bit-rate

WDM channels

STM : Synchronous Transfer ModeMux : MultiplexerDemux : Demultiplexer

Wavelength Division Multiplexing

Vậy lợi ích của nó là điều hết sức hiển nhiên, vì chỉ cần một bộ khuếch đại quang học duy nhất cho phép kéo dài việc truyền trên đoạn tiếp theo của sợi quang thay vì phải trang bị cho mỗi kênh quang học một hệ thống điện tử để tái tạo lại tín hiệu trên kênh đó. Vậy một mối liên kết sẽ bao gồm các đoạn (section) của nhiều thanh nối phân tách nhau bởi các khuếch đại quang học. Ở cuối mỗi mối liên kết (khoảng vài trăm cây số chiều dài), các kênh phải được phục hồi điện tử để có thể được dẫn tới một mối liên kết mới. Giá thành của giai đoạn này rất cao, tỉ lệ thuận với số lượng kênh và phụ thuộc vào lưu lượng được truyền tải bởi kênh. Vậy cần phải cố gắng truyền bằng quang học các kênh trên các khoảng cách càng dài càng tốt để giảm thiểu các công đoạn phục hồi điện tử.

D. Bayart

272

9


WDM lab experiments

100

101

102

103

104

105

106

107

108

Cap

acity

x D

ista

nce

(Gbi

t/s.k

m)

199419901986198219781974 1998

Multi-modefiber

Single-modefiber

Coherent detection

x10 every 4 years

Erbium-doped fiber amplifiers

2002

6 DWDM

97 99 01 03

OFC’04

EDFA and WDM has enabled to keep with the growth rate of lightwave systems

From E. Desurvire, «EDFA, Principle and Applications», 1991E. Desurvire et al., «EDFA, Device and System developments Vol.2»Wiley, New York, 2002

x 2 every 16 months

Theo thời gian, các kỹ thuật truyền khác nhau trên các phương tiện truyền tin khác nhau đã được đề xuất, tạo ra một sự tăng trưởng theo cấp số mũ các tích số giữa dung lượng và khoảng cách cho bởi các hệ thống, cứ sau khoảng 16 tháng thì được tăng lên gấp đôi, điều này còn nhanh hơn cả qui luật Moore cho các transitor điện tử. Sự xuất hiện của các khuếch đại dùng sợi pha tạp Erbi (EDFA) đã cho phép phát triển các quá trình truyền WDM, điều này đã làm kéo dài thêm xu hướng nói trên.

10


Irregular evolution (« psychological » steps ?)WDM capacities larger than single-ch. capacities by more than a decade.

10

100

1000

10000

100000

Time

Tota

l cap

acity

(Gbi

t/s)

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

2.5 Gbit/s10 Gbit/s20 Gbit/s40 Gbit/s>40 Gbit/s

Single channel

WDMBest WDM

Bestsinglechannel

History of WDM versus single-channel terrestrial transmission

Tiến trình phát triển của dung lượng truyền khẳng định rằng WDM, kể từ khi nó xuất hiện, đã mang lại hiệu suất cao hơn so với các kỹ thuật truyền đơn kênh. WDM đã được cải tiến sau hai sự kiện chính: thứ nhất là do sự xuất hiện của công nghệ EDFA, thứ hai là nhu cầu sử dụng trọn vẹn dải băng tần đó sau khi kiểm soát được các hiệu ứng xuyên kênh (intercanaux) trong trường hợp lưu lượng của mỗi kênh rất lớn.

11


Capacity x distance of WDM lab experiments versus channel rate

Superiority of larger channel rates not so clear in terms ofcapacity x distance.

0.01

0.1

1

10

Date

Cap

acity

x di

stan

ce (P

bit/s

.km

)

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

10 Gbit/s20 Gbit/s40 Gbit/s>40Gbit/s

Nếu ta xem xét sự phát triển của lưu lượng (dung lượng x khoảng cách), là tích hay được nói đến nhất vì nó không chỉ cho ta biết khả năng phát lưu lượng lớn, mà còn cho ta biết khả năng truyền quang học trên một khoảng cách dài, thì tính ưu việt của mỗi lưu lượng trên một kênh so với kênh khác không rõ ràng lắm. Nhu cầu hệ thống tăng trưởng lưu lượng của kênh đúng hơn là được xác định bởi việc xem xét quản lý mạng trên phương diện giao diện điện tử và số lượng các kênh cần phải xử lý. Trong trường hợp này, lưu lượng nào cao nhất sẽ quyết định (hiện nay là 10Gbit/s và sắp tới sẽ là 40Gbit/s).

D. Bayart

273

12


BER

Input power

Amplified Noise Limitation- Low noise amplification- (optical) Regeneration- ...

Propagation Effects Limitation- Optimised in-line fibre- Dispersion management- Modulation format- ...

Signal power optimisation : a compromise

Acceptable BER floor- Forward Error Correction

Các hệ thống truyền yêu cầu ở đầu thu một tỉ số tín hiệu/tạp âm càng lớn khi lưu lượng được hỗ trợ bởi kênh càng lớn (các mã sửa lỗi làm việc ít đi một chút). Vậy ta tìm cách làm tăng công suất của tín hiệu ở đầu ra của các EDFA mà vẫn giảm thiểu hệ số tạp âm của chúng. Tuy nhiên các hiệu ứng phi tuyến được tạo thành ở trên đường truyền dọc theo chiều dài của sợi quang học có thể làm hỏng chất lượng tín hiệu. Vậy tồn tại một giải pháp dung hòa để tìm ra trên công suất đó một tỉ lệ tín hiệu/tạp âm tương ứng nhận được ở cuối mối liên kết.

13


WDM systems : Increase of system capacity

Btot

R’>R

Btot

RB’tot>Btot

(a)

(c)

(b)

Initial configuration

Upgraded configurations

bandwidth BtotChannelrate R

Higher speed electronics requiredPolarisation mode disp. (PMD)Group-velocity dispersion (GVD)

Channel selectionMultiplexing / demultiplexingWDM nonlinearities (FWM, XPM)

Broadband amplifiersRaman effect

Limitations

* Technology* Physical effects in fiber

Mitigation owing to Dispersion map, Modulation formats , Forward error correcting codes, all-optical regeneration, ...

Để tăng lưu lượng tổng cộng được truyền tải, có nhiều chiến lược về ghép kênh theo bước sóng có thể thực hiện được. Từ việc tăng lưu lượng trên từng kênh (với các vấn đề tương đối liên quan đến sự tán sắc của các mode phân cực (PMD) và dung sai (tolérence) của việc bù trừ tán sắc). Cũng có thể thông qua một sự nén các kênh trong dải băng tần được sử dụng nhưng điều này lại làm tăng các vấn đề về lọc và các hiệu ứng phi tuyến đan chéo. Cuối cùng, ta cũng có thể tăng băng phổ được sử dụng trong giới hạn của các hiệu ứng Raman xuyên kênh (inter-canaux) và của băng khuếch đại của các bộ khuếch đại hiện có.

14


An history of Amplification of Light

Main research breakthroughs

1917 : Principle of Stimulated Emission (A. Einstein)

1954 : First MASER* experiments by Townes & Gordon, Colombia Univ., USA

1958 : Principle of optical pumping (Koester)

1958 : Principle of LASER* (Townes & Gordon)

1960 : First LASER experiment (T. Maiman)

1964 : First Rare-Earth Fiber LASER (Neodymium, 1-m long)

by C. Koester and E. Snitzer

1987 : First experiments with Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFAs)

1989 : First transmission experiments using EDFAs

MASER/LASER : Microwave/Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Lịch sử của các tiến bộ khoa học liên quan đến EDFA được tiếp nối một giai đoạn tương ứng với việc tiến hành hiệu chỉnh các laser đầu tiên, tiếp theo đó là quá trình chế ngự chất lượng của sợi quang học, và cuối cùng là chế ngự các linh kiện quang học và các laser điôt, tất cả đều dẫn đến sự ra đời của công nghệ truyền tin WDM đầu tiên.

D. Bayart

274

15


Evolution of terrestrial systems

LAB

1989 : First transmission experiments using optical amplifiers

1993 : First WDM experiments Nx2.5 Gbit/s1998 : First Nx10 Gbit/s systems

exceding 1Tbit/s (EDFAs C+L)

2000 : Nx40 Gbit/s systems with more than 5 Tbit/s (EDFAs C+L + Raman)

2001 : Nx40-Gbit/s, 10-Tbit/s systems(EDFAs C+L+Raman+Thulium)

2002 : Nx40 Gbit/s systems, 10 to 3 Tbit/s over 300 to 5200 km. First experiments of Nx160-Gbit/s transmission

COMMERCIAL OFFER

1993 : First EDFA deployed on the field

1996 : 16x2.5-Gbit/s WDM systems released

1998 : 40x2.5-Gbit/s WDM systems released.

1999 : 80x2.5-Gbit/s and 40x10 Gbit/s

2000 : 80x10-Gbit/s WDM systems released

2001 : Announcement of C+L+Raman

2002-04 : New generation 160x10-Gbit/s WDM system with cost reduction

2007-08 ? : Nx40 Gbit/s WDM systems

Tiến trình phát triển của các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm chỉ ra rằng nếu như chỉ cần một vài năm để có thể tăng được lưu lượng trên từng kênh trong qui mô phòng thí nghiệm, thì điều đó chậm hơn rất nhiều khi chuyển sang đấu thầu thương mại, mà việc đấu thầu thương mại này còn đi trước nhiều quá trình mua bán một hệ thực sự như vậy, và việc lắp đặt vận hành trên thực tế. Như vậy, cho tới hiện nay, người ta chưa lắp đặt một hệ thống nào sử dụng 40Gbit/s hay là sử dụng khuếch đại Raman trên một mối liên kết nhiều thanh nối (multi-lien), tương tự như thế cho tới nay, số lượng kênh được sử dụng trên thực tế không hề vượt quá 40 kênh.

16


History of EDFA-based submarine networks

• 1996: First 5-Gbit/s amplified link deployed over trans-atlantic and trans-pacific distances

• 1998: 160 Gbit/s (16x10 Gbit/s) submarine link.

• 1999: First submarine experiments > 1 Tbit/s (320 Gbit/s commercial)

• 2001 : 3.2 Tbit/s submarine (lab), 640 Gbit/s commercial

• 2002 : First Nx40 Gbit/s transmission experiments over transoceanic distance

• 2004 : 6 Tbit/s (150x43 Gbit/s) transmission experiment over 6300 km

Nếu các hệ thống trên mặt đất được lắp đặt sao cho tương thích với các mối liên kết đã tồn tại và với các điểm khuếch đại đã có trên mặt đất, thì các hệ thống ngầm dưới đại dương cũng được lắp đặt cùng thời điểm với các sợi truyền (fibre de ligne) và bản thân khoảng cách giữa các bộ khuếch đại được tối ưu hóa. Như vậy, những việc này luôn luôn sử dụng các công nghệ hiện đại nhất, cũng là bởi vì chúng cho phép vượt qua các khoảng cách dài nhất. Chúng cũng là các hệ thống vượt khoảng cách dài (longue distance) đầu tiên sử dụng khuếch đại quang học và hiện nay chúng còn cho ta các tích số giữa dung lượng.khoảng cách cao nhất trong số các hệ thống thương mại hiện nay. Các hệ thống hiện nay được thương mại hóa sử dụng lưu lượng trên mỗi kênh là 10Gbit/s.

D. Bayart

275

17


Wet & dry WDM: Sea-Me-We 4

Marseille

INDIAN

OCEAN

Palermo

Alexandria

SuezKarachi

Chennai

Cox Bazar

Colombo

MumbaiJeddah

Fujairah

Singapore

Segment 1 (wet)Segment 2 (wet)Segment 4 (wet)

Segment 3 (dry)

AnnabaBizerte

Satun

Melaka

$500m project20,000km – 14 countries16 landing points32 times the initial capacity of SMW3NG terrestrial and submarine systems

2

Nếu như số lượng lớn các mối liên kết xuyên Đại Tây Dương và xuyên Thái Bình Dương đã được triển khai lắp đặt từ cuối thể kỷ XX thì kể từ đó, chủ yếu là ta can thiệp vào việc tăng dần dần sự lưu thông thông tin bằng việc lắp đặt các kênh mới. Gần đây, người ta đã quyết định làm mới mối liên kết sea-me-we 3 (mạng cáp ngầm đi từ châu Âu đến châu Á) (sử dụng các kênh 2,5 Gbit/s) bởi một liên kết 10 Gbit/s đề xuất nhiều kênh hơn.

18


Linear and Decibel (dB) optical power units

- Optical power P expressed in W, mW, dBm

- P[dBm] = 10 log10 (P[mW])

Typical sensitivity of a 10-Gbit/s receiver

Typical EDFA output power

Linear

1 W100 mW

10 mW1 mW

100 µW10 µW1 µW

dBm

+30 dBm+20 dBm+10 dBm

0 dBm-10 dBm-20 dBm-30 dBm

Typical output power of a semiconductor DFB laser

Bây giờ cần phải hiểu làm cách nào mà các hệ thống như vậy hoạt động và cho phép các lưu lượng cao trên một khoảng cách dài như vậy ! Đầu tiên, để thuận tiện ta sử dụng một thang log cho các công suất sao cho các mất mát biến đổi theo hàm e mũ với khoảng cách.

19


Typical loss value of optical components

Gain in the small signal regime of EDFAs

Linear

100010

0.9770.955

0.90.5

Decibel

+30 dB+10 dB

-0.1 dB-0.2 dB-0.5 dB-3.0 dB

Gai

nLo

ss

Gain with saturating input signal

Splice loss between two identical fibresCable fiber loss per km

Loss of a 10% tap couplerIsolator, 1480/1550 nm multiplexer

Bulk optical filter{

Đối với các mất mát và các giá trị của độ khuếch đại được sử dụng trên thực tế cũng vậy.

D. Bayart

276

20


Need for amplifiers ?

Gain needed for :compensation of link fiber lossIncreasing distance between electrical regeneratorsIncreasing signal power before receiver

Tx Rx Tx RxG G

Fiber lengthSig

nal P

ower

Receiversensitivity

Các bộ khuếch đại là cần thiết để cho phép tăng đều đặn công suất của các kênh truyền, điều này là để đảm bảo một công suất quang học đủ lớn tại điểm thu nhận.

21


ASE power density

broadband, uncoherent, unpolarizedWavelength (nm)

ASE

pow

er (d

Bm

/0.2

5 nm

)

-50

-40

-30

-20

-10

1520 1540 1560 1580

Các bộ khuếch đại (EDFA) như vậy sẽ ảnh hưởng thế nào đến hệ thống ? Giống như tất cả các khuếch đại khác, các EDFA phát ra tạp âm khuếch đại được gọi là ASE, và được phát ra trên cả hai phân cực. Ở đầu thu nhận sau photodiode, phần tạp âm ở cùng một phân cực với tín hiệu sẽ tạo ra trong miền điện một tạp âm « phách » (beat noise), là nguồn tạp âm chính trong các hệ khuếch đại (tạp âm battement ASE-ASE được giảm mạnh bởi việc sử dụng các bộ lọc hẹp ở điểm thu).

22


Gain saturation

High signal input power : decrease in population inversiondecrease of the gain

-10

0

10

20

-40 -30 -20 -10 0 10

Signal input power (dBm)

Pout

(dB

m)

0

10

20

30

40

-40 -30 -20 -10 0 10

Signal input power (dBm)

Gai

n (d

B)

3-dB of gain compression

Saturated Output power

Pout

Saturating input power

Linear Regime

EDFA được thực hiện trong chế độ khuếch đại bão hòa. Chúng ta gọi công suất bão hòa là công suất cho ta sự giảm khuếch đại là 3dB. Công suất đầu ra khi bão hòa là công suất cực đại mà ta có thể đạt được khi công suất đầu vào mạnh.

D. Bayart

277

23


0

2

0 20 40 60 80 100 120

Typical corner frequency of 100 Hz - 10 kHz

Time 3/f

Puis

sanc

e

f = 100 Hz

f = 500 Hz

f = 1 kHz0

20

0

20

40

0

20

Gain modulation (dB)

Modulation frequency (Hz)

Gai

n m

odul

atio

n(d

B)

0

10

20

1 10 100 1000 10000 100000

Saturating input signal

Gain Dynamic

Khuếch đại bão hòa của các EDFA có thể tạo ra một sự biến điệu của khuếch đại này theo biến thiên công suất của tín hiệu vào. Rất may là lớn hơn vài trăm kHz, sự biến điệu này không còn được truyền trong khuếch đại. Không có một sự biến dạng nào về thời gian được truyền bởi các EDFA tới tín hiệu trong truyền thông. Điều này có nghĩa là các EDFA là trong suốt đối với các tín hiệu quang, không ảnh hưởng tới lưu lượng, dạng biến điệu, và cả phương thức mã hóa thông tin số (protocole de codage) đối với các các chuỗi (trames), trái hẳn với các máy phát tái sinh điện.

24


Gain and population inversion

There is no inversion that gives a flat gain !

[ ]LnnG ae ).).().().((exp)( 12 λσλσλλ −Γ=

-4

0

4

1450 1500 1550 1600Wavelength (nm)

Nor

mal

ized

Gai

n in

dB

(a. u

.)

N1 = 1N2 = 0

N1 = 0N2 = 1

Gain

Loss

0

: average populations of erbium ions for excited and fundamental energy level inΓ(λ) : overlap of the mode field with the erbium-doped core

Gain spectra of different average

inversions never cross

Nếu ta quan sát đường biểu diễn khuếch đại của các EDFA theo hàm của trung bình nghịch đảo mật độ, ta thấy rằng không có một nghịch đảo nào đem lại chế độ khuếch đại bằng phẳng. Ta cũng thấy rằng các đường cong này không cắt nhau, tức là mặc dù chúng bị biến dạng với sự thay đổi của độ đảo mật độ, khuếch đại cũng tăng (hay giảm) cùng một lúc với tất cả các bước sóng.

25


: NASE increases with the gain

nsp characterizes the impact of the amplifier noise

Fundamental noise limits

nsp minimum at full inversion :

( )nsp s pmin ,λ λ = 1 for σe = 0 (may happen only

using 0.98-µm pumping)

( )N n h GASEEDF

sp EDF= −2 1ν

( ) ( )( ) ( )

( )( )

nN

N Nsp s p

s p

s pa s

es p

s

λ λλ λ

λ λσ λσ

λ λλ

,,

, ,=

− ×

2

2 1

( ) ( ) ( )( ) ( )

nsp s pe p a s

a p e s

min ,λ λσ λ σ λ

σ λ σ λ

=

−×

×

1

1

Hiệu năng của các tạp âm của EDFA được đặc trưng bởi thông số tạp âm mà giá trị của nó phải càng nhỏ càng tốt (bằng 1 tức là 0 dB khi tất cả các ions bị nghịch đảo). Với các giá trị của khuếch đại cao hơn khoảng một chục dB, hệ số tạp âm bằng với thông số tạp âm này, trong đó ta thêm vào 3 dB đến từ tạp âm phách của tín hiệu-tự phát. Thông số này là hàm của mức nghịch đảo trong phần gần với đầu vào của bộ khuếch đại, trong khi độ khuếch đại thì được xác định duy nhất bởi độ nghịch đảo trung bình lấy trên toàn bộ sợi.

D. Bayart

278

26


Noise figure for a two-stage amplifier

G(λ) = G1(λ) x F(λ) x )()(

12 λ

λxG

Loss

G2G1

DCF or OADM

Gain Equalizing

Filter

F(λ)

Loss(λ)

NF(λ) = NF1(λ) +)(

)()(

)(1

2

λλλ

λ

xFLGNF

oss

)()(.)()(

).()( 221 λλλλ

λλ stagease

oss

stagease

totase PF

LGPP +=Pase = NF.hν.G.Bf =

For the whole amplifier :

Leading to

Trong trường hợp khuếch đại hai tầng, hệ số tạp âm tổng cộng được tính bởi hàm của công suất của tạp âm ở đầu ra và của độ khuếch đại tổng cộng. Các mất mát ở giữa hai tầng làm suy giảm hệ số tạp âm nếu như độ khuếch đại của tầng thứ nhất không đủ lớn.

27


2

4

6

8

-40 -30 -20 -10 0 10

Effect of signal input power on noise parameter

Input power (dBm)

Noi

se p

aram

eter

n sp/C

1(d

B)

( )( ) 2

11

1

NN

n

se

sasp

××

−=

λσλσ

Higher Pin : Saturation caused by the signal power

Lower Pin :Saturation caused by ASE

Self-saturationcaused by ASE Saturation caused

By the signal

A constant population inversion gives :

Trước tiên thông số tạp âm của các EDFA được cải thiện theo công suất của tín hiệu vào dựa trên việc loại trừ quá trình tự bão hòa bởi ASE được hình thành ở độ khuếch đại mạnh. Thực vậy, công suất ASE ngược chiều này là rất mạnh đến mức có thể sinh ra bão hòa ở đầu vào bộ khuếch đại. Bằng việc đặt một bộ phân ly quang (isolateur) trong lòng sợi, công suất ASE ngược chiều này giảm mạnh và sự bão hòa sinh ra cũng được loại trừ. Khi công suất tín hiệu tăng thêm nữa, độ khuếch đại giảm đi, và độ nghịch đảo mật độ giảm mạnh trên tất cả mọi điểm của khuếch đại. Vậy nên hệ số tạp âm có thể giảm mạnh.

28


Dependence with signal wavelength

0

2

4

6

8

1520 1540 1560 1580

Signal wavelength (nm)

Noi

se p

aram

eter

n sp/C

1(d

B)

Pin = -40 dBm

Pin = -10 dBm Pin = 0 dBm

( )( ) 2

11

1

NN

n

se

sasp

××

−=

λσλσ

( )( )

σ λσ λ

a s

e shigher increases

Hệ số tạp âm là mạnh nhất đối với các bước sóng ngắn. Tuy nhiên độ nghịch đảo lại độc lập với bước sóng. Thực vậy, điều đầu tiên phải hiểu trong việc xác định hệ số tạp âm của các EDFA là ta cần tính đến bậc của hấp thụ ion chứ không phải là tính đến lượng ASE phát xạ. Thực vậy, một bộ khuếch đại trong đó tất cả các ion được nghịch đảo sẽ tạo ra hệ số tạp âm nhỏ nhất có thể (giới hạn lượng tử). Một cách nghịch lý là nó cũng sẽ tạo ra cực đại của ASE bởi vì tất cả các ion có thể phát huỳnh quang, và độ khuếch đại sẽ là cực đại. Hệ số tạp âm bị suy giảm khi các ion không còn ở trên trạng thái kích thích nữa. Trong trường hợp này, một phần tín hiệu sẽ có thể bị hấp thụ bởi các ion bị mất này. Trái lại, nếu chính ASE bị hấp thụ, thì năng lượng này sẽ có thể được lấy lại khi các ion này sau đó quay trở lại trạng thái cơ bản. Vậy sẽ có một hiệu ứng lựa chọn xảy ra trên

D. Bayart

279

tín hiệu so với tạp âm. Về mặt logic, hệ số tạp âm sẽ bị suy thoái mạnh hơn đối với các bước sóng có tiết diện hấp thụ hiệu dụng lớn nhất, bởi vì hấp thụ photon sẽ mạnh hơn. Cũng như vậy, với các bước sóng lớn, tiết diện hiệu dụng này rất nhỏ, một độ nghịch đảo yếu hơn ít có ảnh hưởng. Cuối cùng, các mất mát cơ bản có ít tác dụng lên hệ số tạp âm bởi vì tín hiệu cũng như ASE đều bị hấp thụ cùng một cách và năng lượng mất mát cũng cùng một kiểu đối với cả hai.

29


Multiplexer

OpticalSpectrum Analyser

Channel #2

Channel #1

Channel #N

Unpolarized flattenned ASE source

GEQ

Isolator

EDFAunder test

Characterization of the EDFA gain flatness

Need to use a WDM saturating comb

Để đặc trưng đáp ứng phổ của độ khuếch đại của các EDFA, điều quan trọng là phải sử dụng một số lượng đủ lớn kênh để tạo ra một độ bão hòa đồng nhất và thực hiện phép đo của đường cong khuếch đại với sự trợ giúp của một đầu dò (sonde) có công suất yếu, mà đầu dò này quét cả dải phổ.

30


Influence of saturating conditions on gain excursion

For a given amplifier, the average

population inversion determines

the gain spectral shape

Độ nghịch đảo mật độ trung bình xác định độ khuếch đại của các EDFA và đáp ứng phổ tương ứng. Độ bão hòa của khuếch đại ưu đãi các bước sóng lớn. Điều này xảy ra khi công suất đầu vào của sợi pha tạp tăng, hoặc trong một chuỗi EDFA, khi khoảng cách giữa các bộ khuếch đại nhỏ hơn, với công suất đầu ra được cho bởi khuếch đại trước, điều này sẽ tương ứng với một sự tăng công suất đầu vào của bộ khuếch đại tiếp theo.

D. Bayart

280

31


Optical Signal-to-Noise Ratio (1)

OSNR from a chain composed of identical EDFAs

∑=

∆+=

n

i i

i

n PoutPase

SNRSNR 10

11 ∫=

+=L

zn zPsignalzdPase

SNRSNR 00 )()(11

from

This gives :

]11

11.[

.

]1...11.[.

1

k

k

Gk

PaseBo

P

kkGk

PBo

PSNRN

s

Nase

sN

−

−+

=++++

=

−

−−

Loss Loss Loss LossSignal: PinNoise : Bo

PoutOSNR

G(λ) G(λ) G(λ) G(λ)

Each channel sees a gain expressed as k . where k<1 for less favored channels and (=1/Loss ) is the amplifier average gain over the signal bandwidth.

−

G−

G

#1 #N

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) của một chuỗi EDFA phụ thuộc trực tiếp vào hệ số tạp âm và công suất đầu vào của các bộ khuếch đại. Thực vậy, ngay ở đầu vào của bộ khuếch đại, SNR trực tiếp chịu tác động bởi giới hạn lượng tử của tạp âm. Tín hiệu càng mạnh ở chỗ đó thì tỉ lệ đó càng ít giảm (tỉ lệ này sau đó sẽ còn giảm ít nhiều tùy theo mức nghịch đảo định xứ của khuếch đại trên chiều dài của sợi quang học pha tạp). Trên một chuỗi các khuếch đại, tăng công suất ra và độ khuếch đại của tất cả các EDFA 3 dB sẽ cho phép tăng cũng một lượng mất mát như vậy giữa các khuếch đại mà vẫn giữ được cùng một tỉ lệ SNR trên mối liên kết. Thực vậy, công suất vào của các EDFA trong trường hợp này không đổi, cũng như vậy với hệ số tạp âm theo giả thuyết. Vậy không phải là ta dùng độ khuếch đại của EDFA để tính SNR bởi vì tín hiệu ra cũng như ASE tăng theo cùng một kiểu giống nhau, nên nó sẽ không có tác động gì lên SNR. Trái lại tăng khoảng cách giữa các khuếch đại (tức là tăng độ khuếch đại) mà không tăng công suất đầu ra có nghĩa là ta làm giảm công suất vào của các EDFA và vậy ta làm hỏng tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm.

32


kko

insignal

aseo

insignalk

out hNFNPP

PNPP

SNRνν ∆+

=+

=...

SNRN = Pin - NF - 10.log N + K

Weight of noise photons at the EDFA

input compared to input signal photons

Impact of the count

in EDFAs

ex : An increase by 3 dB of the span loss between EDFA half reduces the maximal distance allowed by the OSNR

For ideally flat amplifiers : Gain = Loss (for any channel)

When expressed in dB,


K=55 for OSNR calculated in a 0.1-nm bandwidth

and Pin expressed in dBm

Nếu ta xét các bộ khuếch đại có độ khuếch đại chính bằng mất mát (đây thường là trường hợp ta gặp đối với các hệ đơn kênh đa liên kết do khuếch đại bão hòa của các EDFA), các phương trình sẽ được đơn giản hóa và biểu thị trực tiếp theo hàm của công suất vào của chúng, hàm của hệ số tạp âm và số lượng khuếch đại. Giảm mất mát giữa các khuếch đại đi 3 dB (và vậy là tăng 3 dB công suất đầu vào của chúng), cũng sẽ cho phép tăng gấp đôi khoảng cách truyền mà vẫn giữ nguyên tỉ số tín hiệu trên tạp âm.

D. Bayart

281

33



#1 #N

G(λ) G(λ) G(λ) G(λ)

Loss Loss Loss Loss PoutOSNR

Signal: PinNoise : Bo

For unflat amplifiers :

kGk

GG log.10.

.log.102

−==∆

−

−

fase BGkhNFP ....−

≅ ν 110

110...20

20.

min

−

−+

=

∆

∆

G

NG

f

sN

BhNFBo

PSNR

ν

since

and

4.6...

min5 =

+= awith

aBhNFBoPSNR

f

s

νe.g. ∆G = 1 dB and N=5 gives

Trong trường hợp truyền WDM, một vài kênh không ưu đãi có một độ khuếch đại yếu hơn mất mát. Điều này tương đương với việc công suất của chúng ở đầu vào của các EDFA kế tiếp nhau sẽ giảm đi dần dần trong khi các mức tạp âm phát ra bởi mỗi khuếch đại thì lại không đổi. Vậy tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm của chúng sẽ chịu tác động mạnh.

34


Impact of gain excursion on the OSNR

Các phép tính này mô tả rõ phổ ở đầu ra của một mối liên kết được khuếch đại. Các kênh trong phần lõm xuống của đường cong khuếch đại có tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm suy giảm. Cũng thế, điều trước tiên là phải sử dụng các khuếch đại có đáp ứng của độ khuếch đại càng bằng phẳng càng tốt để đem lai một hiệu suất tốt của tạp âm trên tất cả các kênh.

35


System Requirements for Two-stage amplifiers (1)

• Input and output isolators for each amplification stage

• Gain equalization for both amplification stage (less stringent after first stage)

• 5/95 tap couplers at input/output of each amplification stage

• Operating bandwidth : 1529 nm to 1561 nm (at least)

EDF

WDM

0.98-µm 0.98-µm

WDM

EDFDCF

5/95 5/95VOA 5/955/95GEQ

GEQ : Gain EqualizerVOA : Variable Optical Attenuator

Các hệ thống truyền trên mặt đất cần phải có các khuếch đại nhiều tầng để có thể gài vào giữa các tầng sợi bù trừ tán sắc hoặc là các mô-đun ghép/tách (đưa vào/tách ra) của các kênh quang học. Các tầng này cũng cần phải cách ly bởi các bộ cách ly quang (isolateur) và các bộ ghép cặp để theo dõi tại các đầu vào ra của chúng.

D. Bayart

282

36


Gain mod dB5

10

15

20

25

30

1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 1570 1575

Example of Equalized Gain Spectrum

Gain excursion : 0.3 dB over [1529 nm;1561 nm]

Other Important Features

Noise Figure < 6 dBBudget at mid-stage for insertion of DCM or OADM : 6 dB to 12 dB including VOASize : 12x70x90 mm3 for each stageTemperature operating range : -5 C / +65 CElectrical board controlling powers and transients

System Requirements for Two-stage amplifiers (2)

Input powers : -15 to 0 dBm depending on channel count and span loss (up to 10dBm if Raman pre-amplification is used)Output powers from +17 dBm (40 channels) to 23 dBm (160 channels) in long-haul

Các EDFA cũng cần phải được bổ sung các mạch điện tử để có thể đối mặt với các biến động nhanh của số lượng kênh, với các biến động mạnh của nhiệt độ, để cho chúng có một thời gian tồn tại lâu dài (15 năm với các hệ thống trên mặt đất và 25 năm đối với các hệ thống dưới biển).

37


System Requirements for two-stage amplifiers (2)

Tuning of the mid-stage VOA enables to improve the gain flatness when total insertion loss varies but it is not allowed to impact the noise figure nor the available range of loss values

Features available for the system should account for temperature and manufacturing tolerances leading to worst values than in the lab !

- Value at 25 C -Impact of temperature range on the EDF

-Tolerances on loss of passive components

0.25 dB+ 0.50 dB

+ 0.25 dB

Total >= 1 dB !

Feasible gain excursion in manufacturing

Các yêu cầu này làm khó cho việc sản xuất các bộ khuếch đại băng tần phẳng (amplificateur égalisés) một cách hoàn hảo và có hệ số tạp âm nhỏ. Thực vậy, thăng giáng của độ khuếch đại đòi hỏi kéo lại trên đỉnh tổng cộng trong các sợi pha tạp là vào khoảng cỡ %, điều này có thể hủy đi nếu ta xét các biến thiên có thể xảy ra về mặt dung sai của quá trình sản xuất các sợi pha tạp, các bộ lọc trung hòa (filtres égaliseurs) và các thành phần thụ động được sử dụng. Nếu chúng ta thêm các biến động nhiệt, thì không thể bảo đảm một thăng giáng của độ khuếch đại tốt hơn 1 dB trên một số lượng lớn các khuếch đại được sử dụng trong điều kiện trên mặt đất.

38


System needs (1)

System Applications :

To operate the system in a spectral band different than the C-band to increase chromatic dispersion value of the line fiber• Operation in L-band alone over G.653 fiber

• Operation in L-band alone over first generation G.655 fiber

Now the sole application of use of L-band for long-haul systems

L-band (ITU recommendation) : 1565 nm to 1625 nm

Các EDFA cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng băng dài (băng L). Các ứng dụng hiện nay liên quan trước tiên đến các hệ thống vận hành với sợi đường truyền ít thích hợp với các dải băng tần của EDFA qui ước.

D. Bayart

283

39


System needs (2)

System Applications :

Enables future system up-grade by adding new channel

(C+L band systems)• Need to implement a WDM coupler in the line

before the beginning of life of the system !

Enables bidirectional transmission with high channel count

in each direction• Useful in case of only one fiber available …

Một ứng dụng trong tương lai có thể liên quan đến khả năng vận hành một số lượng lớn các kênh bằng việc sử dụng hai băng cùng một lúc. Cho tới hiện nay, các hệ thống đã được lắp đặt với ít kênh, việc lắp đặt thêm được dự tính thích hợp. Việc thêm tạm thời trong tương lai một băng mới, mà băng này cho phép thêm nhiều kênh nữa, cần phải được dự tính ngay sau khi bắt đầu xây dựng hệ thống nếu như ta không mong muốn phải can thiệp vào việc truyền tin trong tương lai nhằm mục đích đưa vào các EDFA vận hành theo băng L. Tầm vóc tiên quyết của hệ thống này đòi hỏi một quỹ quang học (budget optique) giữa các khuếch đại ngay khi các kênh đầu tiên được lắp đặt, người sử dụng hiện nay không sẵn sàng trả một giá như vậy.

40


Principle of 1.58-µm L-band EDFAs

Principle : low average population inversion (40 %) allowing a flat-gain spectrum in the L-band region

-4

0

4

1450 1500 1550 1600

Gai

n (a

. u.)

N1 = 1N2 = 0

N1 = 0N2 = 1

G > 1

G < 1

1

• Absorption cross-section is very low in the L-band (low influence)• Gain coefficients are 10 dB lower

Need x10 in erbium !… but not 10 times longer doped fibers

(background loss, FWM, PMD issues …)Doping the fiber 3 or 4 times more is

a good compromise between quenching and background loss

[ ]LnnG ae ).).().().((exp)( 12 λσλσλλ −Γ=

PMD : Polarization mode dispersion FWM : Four-wave-mixing

Tuy nhiên, EDFA cho ta các hệ thống có hiệu suất cao, mặc dù hệ số tạp âm vẫn còn hơi cao, do bão hòa bởi ASE phát xạ trong băng qui ước (băng C, bande conventionnelle).

41


1.48 µm

Power budget WDM

1.48 µm

WDM

EDF

WDM

EDF

WDM

EDF

0.98 µm

Extra-pumpaccess

1.48 µm

WDM GEQ GEQ

Example of architecture for two-stage L-band EDFAs

1.48-µm pumped single-stage EDFA

0

2

4

6

8

10

1570 1580 1590 1600Channel wavelength (nm)

Noise figure for a two-stage EDFA with 9-dB mid-stage power budget

Channel wavelength (nm)

Các EDFA này không tận dụng tốt việc bơm ở 980 nm, vì nó tạo ra rất nhiều ASE trong băng C. Vậy nó thường thích hợp hơn với việc bơm ở 1,48 µm trong khi các EDFA băng C từ nay trở đi đều được bơm ở 0,98 µm ở cả hai tầng.

D. Bayart

284

42


S. Aisawa et al./ A. Srivastavaet al. (OFC’98)

0.1

1

10

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Tbit/

s

B. Clesca et al.,OFC’94

K. Oda et al.,OFC’95

Silica-based EDFAs+gain equalizing filter

Dual-band C+L amplifiers(silica-based+filter)

After 4x110km

Wavelength (nm)

From S. Aisawa et al.

1540nm 1600nm

C band L bandAfter

10x60km

Fluoride based EDFAs4dB

5dB

/div

Silica-based EDFAsw/o GEQ

>20dB

5dB

/div

After 4x110km

Flat-gain amplifiers and High capacity transmissions

Lịch sử của các quá trình truyền đã được thực hiện chỉ ra rằng việc làm chủ sự phẳng phổ của khuếch đại của các EDFA trên các dải tần càng ngày càng rộng đã vượt khỏi sự tăng trưởng của dung lượng truyền tổng cộng.

43


Effect happens for any pump frequency, polarization dependentInstantaneous effect (not the travel time of the pump along the fiber !)Peak Raman shift = - 13 THz (glass phonon energy)Top width = 2.5 THz, can be broadened with multi-λ pumping

Raman amplification : Principle

Long interaction fibersConfinementAttenuation at the pump wavelength is paramount

O

O

SiPump

Signal

( = f pump - 13 THz )

Vibrational excitation

Signal

Measured gain-curve : 1 pump @ 1487 nm

0

5

10

15

20

1500 1530 1560 1590 1620 nm

On/

off G

ain

(dB)

DSF fiber

pp

L

eff

rdBOFFON Pe

AgG

p

⋅−

⋅⋅=⋅−

α

α110ln

10/

ρα1

=effLAeff is the Raman effective area of the fiberLeff : Effective length of the fiber expressed as :

Thêm với việc cải thiện hiệu suất phổ, việc giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm lên độ khuếch đại cũng cho phép ta đạt được các giới hạn phụ của hệ thống. Khuếch đại Raman cho phép điều này với một chế độ vận hành rất khác với chế độ vận hành của EDFA. Hiệu ứng Raman là một tán xạ không đàn hồi giữa các phôton tới và thủy tinh. Một phần năng lượng phôton tới của quá trình bơm có thể được hấp thụ bởi thủy tinh dưới dạng năng lượng dao động (phonon quang) sẽ tạo ra một photon tán xạ có năng lượng thấp hơn (énergie réduite) (tức là bước sóng cao hơn) tương ứng với tín hiệu được khuếch đại. Hiệu ứng này có hiệu suất thấp, nó cần có các độ dài tương tác lớn (km) và công suất bơm phải thật lớn hơn so với tín hiệu. Vậy độ bão hòa bởi tín hiệu yếu, và độ khuếch đại tỉ lệ thuận với công suất bơm.

D. Bayart

285

44


Distributed Raman Preamplification

Preamplification (backward pumping : weak gain saturation)Increase of the signal powers at the EDFA input (improved signal to noise ratio)

- 2 5

- 2 0

- 1 5

- 1 0

- 5

0

0 2 5 5 0 7 5 1 0 0D ista nce (k m)

Sign

al (d

B)

On/off gain

with Raman

without Raman

Pump

WDMLine fiber

Cũng như vậy, nếu chúng ta kết hợp một ánh sáng bơm trực tiếp vào trong sợi sao cho nó đi ngược chiều với tín hiệu, khuếch đại Raman sẽ được tạo thành trước điểm tới của tín hiệu trên bộ khuếch đại erbium. Quá trình tiền khuếch đại này sẽ cho phép tăng công suất của tín hiệu ở điểm mà nó sẽ gặp khuếch đại Raman một cách đáng kể, và tạp âm khuếch đại tương ứng của nó cũng gần với giới hạn lượng tử. Điều này sẽ dẫn đến một sự cải thiện rõ rệt của tỉ số tín hiệu trên tạp âm một cách tự nhiên.

45


Calculated gain curve : 20 pumps

11,85

11,90

11,95

12,00

12,05

1538 1558 1578 1598nm

On

/off

Gai

n (d

B)

2 or 3 wavelengths enough for a 1-dB equalization over the C-band

3 to 4 over the C+L band

Semiconductor pumps need polarization multiplexing or depolarization using PANDA fiber at 45 deg.

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

150 0 1 55 0 160 0 nm

On

/off

Gai

n (d

B)

Equalization over 60 nm

Pump wavelength combination

Đáp ứng của khuếch đại Raman của thủy tinh Silic không rộng và vậy cần phải có rất nhiều quá trình bơm cách nhau khoảng vài chục nanomet để có thể có một độ khuếch đại kết hợp bao trùm ít nhất là cả băng khuếch đại của EDFA. Hơn thế nữa, khuếch đại Raman phụ thuộc vào sự phân cực và vậy cần phải có một ánh sáng bơm không phân cực.

46


Signal powers required for anOSNR of 26 dB/0.1 nm

Fibres supposed to differonly in Aeff

α pump = 0.3 dB/km

- 1,5

- 1,0

- 0,5

0,0

0,5

50 60 70 80Effective area (µm²)

Sign

al (d

Bm/c

h.)

5

10

15

20

25

50 60 70 80Effective area (µm²)G

on/

off R

aman

(dB)

True

wav

e

ELE

AF

Tera

light

G.6

52

500 mW

300 mW

400 mW

System margins provided by Raman preamplification

Sự cải tiến tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm này cho ta các giới hạn của hệ thống, và có thể được sử dụng theo nhiều cách thức khác nhau. Ví dụ như điều này có thể cho phép giảm công suất của các tín hiệu trên đường để hạn chế các hiệu ứng phi tuyến mà chúng phải chịu. Chúng ta thấy rằng cần có vài trăm mW, biến thiên tùy theo loại sợi, để thực hiện được một độ khuếch đại lớn hơn 10 dB.

D. Bayart

286

47


Fiber efficiency per unit length and per W of pump

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 3 6 9 12 15 18Ram

an e

ffici

ency

CR

(W-1

.km

-1)

Frequency Shift (THz)

NZDSF-NZDSF+

SMFTeraLight

PSCF

0.680.75

0.400.51

0.3813.3-THz peak

(W-1.km-1)

1486-nm pumping

CR = 0.23 Gon/off / (Pp.Leff_p)CR Max

PSCF : Pure Silica Core Fiber

Nếu ta quan sát các đường cong khuếch đại Raman được xây dựng theo hàm của bước sóng tín hiệu với các loại sợi khác nhau, ta thấy có cùng một đỉnh ở 13,3 THz, điều này tương ứng với việc bơm ở khoảng 1440 nm để khuếch đại một tín hiệu nằm ở khoảng 1550 nm.

48


Normalized Gain Spectra

12 15 18 21 24 27 30Frequency Shift (THz)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 3 6 9 12 15 18Frequency Shift (THz)

1486-nm pump 1400-nm pump

PSCF

PSCF

PSCF

• Boson-peak relative-intensity higher with SiO2 than with GeO2• 13.3-THz peak : Ge-dependent, extends up to > 20 THz• Sharp 14.5-THz and 18-THz peaks specific to SiO2

CURVES NORMALISED RELATIVE TO 13.3-THz PEAK

Nếu chuẩn hóa các đường khác nhau này, ta thấy rằng các đường này gần như là giống nhau. Thực vậy, thành phần của các sợi này ít biến đổi theo dạng của chúng, bởi vì các chất phụ gia đều có cùng bản chất. Đỉnh rộng do chính Ge gây ra thì ít nhiều lớn hơn đỉnh bé nằm ở các tần số cao hơn, và đỉnh này không đổi và tương ứng với dấu hiệu của Si. Đồ thị này có nghĩa là tất cả các sợi đã tồn tại trên mặt đất đều cho gần như cùng một kiểu dạng đường cong khuếch đại mặc dù công suất bơm đòi hỏi sẽ là tương đối khác nhau tùy theo tiết diện hiệu dụng của sợi. Điều này rất quan trọng đối với đồ án thiết kế của các hệ thống sử dụng khuếch đại Raman bởi vì chúng cần phải được thích nghi với mọi điều kiện trên mặt đất mà điều đó thì đã không được tính tới cho ứng dụng này.

49


Fiber efficiency is pump wavelength dependent

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

12 15 18 21 24 27 300

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 3 6 9 12 15 18Ram

an e

ffici

ency

CR

(W-

1 .km

-1)

Frequency Shift (THz)

1486-nm PUMP 1400-nm PUMPNZDSF-NZDSF+

SMF

TeraLightPSCF

+ 37 %+ 21 %

+ 20 %

+ 46 %+ 26 %

Pump/signal/core overlap

Bước sóng bơm cần phải được lựa chọn theo hàm của bước sóng mà ta muốn tạo ra khuếch đại. Theo đó thì hiệu suất Raman biến đổi theo sự mở rộng của mode về các bước sóng lớn hơn. Hơn nữa, các mất mát cơ bản tăng theo bước sóng ngắn. Các sợi dạng DZDSF- (Sợi đơn mốt có tán sắc dịch chuyển khác 0) có một kích thước lõi bé hơn cho ta hiệu suất lớn hơn là các sợi chuẩn (SMF) và vậy nó đòi hỏi công suất bơm nhỏ hơn.

D. Bayart

287

50


Impact of interchannel Raman depletion

Input fiber -10 dBm /channel(linear regime)

5.6 dBm /ch.100 km#1

#32

Tx Rx

0.7 dB

2.3 dB

Cũng chính là độ khuếch đại Raman này chịu trách nhiệm về tán xạ cưỡng bức Raman (SRS) giữa các kênh, và nó xảy ra cả trong các hệ không có khuếch đại Raman. Các kênh tần số yếu dùng để bơm cho các kênh tần số cao, điều này tạo ra một độ dốc mà độ dốc này càng mạnh khi công suất càng tăng.

51


Small-frequency-shift energy transfers

1529 1561 1602

Frequency shift (THz)

Wavelength (nm)

-27

-22

-17 C-band L-band

NZDSF-NZDSF+

SMFTeraLight

PSCF

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 3 6 9

Ram

an e

ffici

ency

(W-1

.km

-1)

1569

1486-nm PUMP

Thực vậy, khi chúng ta quan sát ở chân của đường cong khuếch đại Raman, ta thấy có một độ dốc ở những THz đầu tiên, có thể liên quan đến toàn bộ băng C. Băng phổ càng rộng thì càng phải tính đến sự trao đổi năng lượng giữa các kênh này. Ví dụ như tăng tín hiệu của các bước sóng ngắn khi phát cho phép bù trừ hiệu ứng này.

52


Raman amplification : Implementation

• Use of wavelength multiplexed Raman pumps• Efficiency depends on fiber type and characteristics

4 pumps(distributed Raman ampli.)

#1#63

M-ZQ

Q

DCF

C

L

DCF

C

L

C

L DCF

x 3

Rx

100 km NZDSF1x

32

#2#64

M-Z1x32

40Gb/s215-1

#65#127

M-ZQ

Q

DCF1x32

#66#128

M-Z1x32

40Gb/s223-1

PBS

PBS

Sự đưa kỹ thuật khuếch đại Raman vào thực tế bao gồm việc kết hợp nhiều quá trình bơm khoảng 200 mW mỗi cái, và ghép kênh theo bước sóng và độ phân cực. Các EDFA được lắp đặt sau qui trình tiền khuếch đại cho phép ta nhận được công suất tín hiệu cần thiết ở đầu của mối liên kết trong khi các sợi bù trừ tán sắc (DCF) thì được đặt ở giữa các tầng.

D. Bayart

288

53


Stimulated Raman Scattering

-17

-22

-27

-5

0

5 In span 5

0-5

-27

-22

-17 Out span

-18

-13

-8

Wavelength (nm)1525 16051427 156514851439 1450

-8

-13

-18

- 23 THz

Pre-tilt ≈3dB

Intraband-tilt compensatedbut C-to-L energy-transfer

Raman gain12dB C-band10dB L-band

Out span

Pumps OFF

Pumps ON

P

( dB

m)

Trong quá trình truyền này, các bước sóng bơm được phân bố từ 1427 nm đến 1485 nm tạo ra độ khuếch đại cả ở băng C và L. Các kênh đã được tăng trước với một độ dốc để bù trừ SRS trên từng băng. Các bước sóng bơm bảo đảm một độ khuếch đại phẳng đối với các tín hiệu cũng như bảo đảm một độ bù trừ một phần SRS được tạo thành giữa các băng. Dĩ nhiên là như vậy thì một SRS lớn cũng được tạo thành giữa các bước sóng bơm, vậy nó đòi hỏi các đối với các bơm yếu các công suất mạnh hơn rất nhiều so với các bơm mạnh.

54


Pump

WDMLine Fiber

Intrinsic noise parameter = 3dB (quantum limit)

Equivalent noise figure = the noise figure of an EDFA located in B point and providing with the Raman ON/OFF gain

Equivalent noise figures can be equal or lower than 0 dB

B

Noise figure for Distributed Raman Preamplification

Ta có thể định nghĩa một hệ số tạp âm tương đương cho hệ thống khuếch đại Raman + EDFA. Hệ số này chính bằng hệ số tạp âm mà ta cần phải có đối với EDFA nếu như nó được sử dụng một mình, để có thể nhận được cùng một SNR. Các giá trị nhận được dĩ nhiên là nhỏ hơn giá trị của EDFA rất nhiều (nhiều dB), chúng cũng biểu diễn độ khuếch đại hiệu quả của tạp âm tạo bởi tiền khuếch đại Raman được phân bố.

55


Double-Rayleigh Scattering

• Signal (neglecting the DRS term):

• Simple Rayleigh-scattered signal:

• Double Rayleigh-scattered signal: dyLyGyPrLP

dzzyGzPryP

zGPzP

net

L

RSDRS

L

y netSRS

netSS

).().(.)(

).().(.)(

)0().0()(

0→=

→=

→=

∫

∫

⇒ DRS noise-to-signal ratio at the end of the fibre: RDRS = PDRS(L)/PS(L)

0 L

Ps (z)r.Ps(z)

PDRS (L)

Sự tán xạ đàn hồi (hiệu ứng Rayleigh) xảy ra trong lòng sợi tạo gây hạn chế cho các giá trị nội tại lớn đối với khuếch đại Raman. Thực vậy, tín hiệu được khuếch tán ngược hai lần không còn có công suất có thể bỏ qua được vì cùng một lúc nó gặp cả khuếch đại Raman. Truyền trên một khoảng cách tương tác dài, sự chênh lệch thời gian giữa các thành phần đóng góp khác nhau sẽ tạo các các hiện tượng giao thoa không kết hợp tại điểm thu nhận, và của tạp âm phách « battement » xen giữa ký tự (intersymbole).

D. Bayart

289

56


Double-Rayleigh Scattering (DRS)

• DRS is a delayed copy of the signal => beating noise at detection with the signal by quadratic detection:

• Exists in all transmissions but is more penalizing with distributed Raman amplification: DRS is amplified during its double-path

• Crucial issue: DRS impairment is a limit to high amounts of Raman gain

• ASE and DRS essentially differ by their spectral distribution:

- ASE is constant with wavelength in the range of the signal bandwidth

- DRS is a replica of the signal optical spectrum

))((2)( 22 ν

νπ ∆+

∆≈

fRfRIN DRS

Tán xạ Rayleigh đúp(DRS) gây ra một tạp âm dạng RIN tại điểm thu vì rằng nó được tạo thành từ đáp ứng của tín hiệu. Nó giới hạn lượng khuếch đại mà ta có thể tạo ra được với cùng một nguồn bơm.

57


Electrical measurement of DRS

-155-150-145-140-135-130-125-120-115-110-105-100-95

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency (MHz)

RIN

(dB

/Hz)

24-dB gain

16-dB gain

10-dB gain8-dB gain6-dB gain4-dB gain2-dB gain

source

0-dB gain

Ta cũng có thể quan sát thấy tại điểm thu nhận một sự suy giảm khoảng vài chục dB. Tạp âm này được tạo thành trước hết là với các tần số đến vài chục MHz tại độ nghịch đảo của tạp âm phách tín hiệu tự phát là một tạp âm trắng.

58


Signal-ASE and signal-DRS beat noises

Reference case:NRZ, broad optical filtering

General case:any format

elecSrpola sg

ASE22

ASE-sg BPNη4=σ

Spolar sg

DRS22

DRS-sg PPη2=σ

SASEASE2

ASE-sg PP.k=σ

SDRSDRS2

DRS-sg PP.k=σ

depend on:- modulation format (signal pattern)- optical and electrical filters at reception

Để có thể dự đoán trước ảnh hưởng của DRS lên RIN của hệ thống tại điểm thu nhận, điều quan trọng là phải định nghĩa hệ số sẽ cho phép ta tính toán tạp âm phách theo hàm của công suất tín hiệu và của DRS.

D. Bayart

290

59


Signal-ASE and signal-DRS beat noises

ASEDRS

DRSnmASESASE

SDRSDRSSnmASEASE

kkkPkPPk

PPkPPk

/ where

)..( )1.0(2

)1.0(2

2DRS-sg

2ASE-sg

2

=

+=

+=

+=

σ

σ

σσσTotal electrical noise:

k is the weighting coefficient that quantifies the impact of DRS relative to ASE on the effective electrical noise

k varies between 0.5 (RZ format) and 1.3 according to the modulation format.

OSNR penalty

−−=

S

refDRSdB P

OSNRPkPenalty ..1log10

=

refdB OSNR

OSNRPenalty log10

Theo dạng biến điệu mà đại lượng này có thể đạt được giá trị từ 0,5 đến 1,3. Điều này có nghĩa là ví dụ như tạp âm dạng DRS sẽ ít hay nhiều gây bất lợi (pénalisant) đối với tạp âm dạng ASE tùy theo loại dạng biến điệu được sử dụng.

60


Conclusion on Double-Raleigh Scattering

DRS is a major limitation of the maximum Raman gain that can be obtained in the line fiber• Limits Raman advantage in backward pumping

• Max gain closed to 23 dB

For all Raman pumping of the line fiber• Need for forward pumping

See related issues (RIN, …)

• Or use of Raman pumping into the DCFIncreases non-linear effects in the DCF

Cũng vậy, độ khuếch đại cực đại mà ta có thể tạo ra được khi bơm ngược chiều mà không có nguy cơ gây bất lợi (pénalité) bởi DRS sẽ bị giới hạn, và không cho phép bao trùm toàn bộ mất mát của một đoạn sợi. Tuy vậy độ bất lợi dạng DRS được xét đến so với bất lợi gây ra bởi ASE. Với các hệ khoảng cách rất dài và tỉ lệ tạp âm trên tín hiệu quang yếu, tạp âm ASE là rất quan trọng, mà chính tạp âm này làm cho tác động của tạp âm dạng DRS trở nên yếu hơn, và vì vậy nó cho các khuếch đại cao hơn. Sử dụng quá trình bơm hai chiều trên đường truyền sẽ cho phép tăng thêm khuếch đại tổng cộng này, nhưng lại có nguy cơ tạo thành các bất lợi khác. Cuối cùng, việc bơm ngược chiều trong sợi quang dạng DCF cũng có thể cho ta một vài dB khuếch đại Raman thiếu hụt.

61


Noise figure for Raman-Assisted EDFAs (1)

• Total Raman pump power : 500 mW• EDFA pump powers : 180 mW each / EDFA signal output power : 21 dBm total

Er fiber

WDM

0.98-µm1434nm

WDM

1451nm 1.48-µm

WDM

DCF Er fiberLine Fiber (NZ-DSF)

125 km – 25 dB

+21 dBm +21 dBm

Er fiber

WDM

0.98-µm

Line Fiber (NZ-DSF)125 km – 25 dB

1434nm

WDM

1451nm 1.48-µm

WDM

Er fiberDCF

+21 dBm +21 dBm

(A)

(B)

Hai dạng cấu trúc chính của EDFA có thể được sử dụng khi tổ hợp một tiền khuếch đại Raman. Nó bao gồm việc định vị sợi DCF ở tầng giữa của EDFA (điều này làm suy giảm hệ số tạp âm) hoặc là định vị nó ở đầu vào.

D. Bayart

291

62


1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2 1 pump 1446.5 nm (500mW) 2 pumps 1434 nm (270mW) 1451nm (230mW)

Pout

(dBm

)

wavelength (nm)


Raman gain spectrum

Per-channel powers :

at line fiber input : 3 dBm per channel (21-dBm in 64 channels)

at line output : 3 dBm – 25 dB + Graman

10 dB

14 dB

16 dB

18 dB

14 dB

Graman

Tùy theo việc công suất được tập trung trên cùng một bước sóng, hay là phân bố trên hai bước sóng, mà khuếch đại tạo thành trên đường truyền sẽ ít nhiều mạnh ở trung tâm, và độ rộng của nó thay đổi.

63


1530 1540 1550 15600.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

2 pumps

1 pump

NF eq

(dB

)

wavelength (nm)1530 1540 1550 1560

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

NF

eq (dB)

2 pumps

1 pump

wavelength (nm)


Use of different pump wavelengths flattens the gain spectrumMinimize non linear effects / DRS on the most favored channels

No significant noise benefit as far as total pump power is the same

Improvement by several dBbrought by Raman pumping while

making simpler amplifier architecture

(A) (B)

Lợi ích trên hệ số tạp âm toàn phần (NF) cần phải được xem xét trên toàn bộ băng phổ nghiên cứu. Cũng thế, không phải là chúng ta xét các giá trị nhỏ nhất, mà chủ yếu là xét các giá trị giới hạn ở hai đầu của băng phổ. Sau khi tối ưu hóa các mức công suất và dạng của bộ lọc trung hòa (filtre égaliseur) trong EDFA, ta thấy rằng việc sử dụng hai bơm không thật đem lại hiệu quả lên NF mà trái lại điều này lại cho phép tránh được đỉnh của độ khuếch đại ở trung tâm của băng, và vì vậy giảm thiểu DRS hay là các hiệu ứng phi tuyến mà tín hiệu của các kênh phải chịu.

64


0.1

1

10

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Tbit/

s

Length (km)

EDFARamanpumps

(here, 10dB gain)

EDFA

Cumulated noise reducedby ~δP (e.g. 3-5dB)

Margins improved by approx. the same amount.

N. Takachio et al., OFC’99

P. B. Hansen et al., OFC’99

δP

0 10020 40 60 800

-5

-10

-15

-20

Raman+Erbium

Rel

ativ

e po

wer

(dB

)

Erbium

Road to 10 Tbit/s: optical amplifiersRaman-assisted EDFAs

Đóng góp của khuếch đại trong các thí nghiệm truyền dung lượng cao đã cho phép tăng các hiệu suất vài dB của quỹ công suất dự phòng bổ sung lên tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm. Ngày nay, khuếch đại Raman được sử dụng trong tất cả các thí nghiệm lưu lượng cao được tiến hành trong phòng thí nghiệm.

D. Bayart

292

65


All Raman pumping schemes

Raman pump

MUX TAP

DCF

DRA in the link:

DRA in the link & DCF:

MUX TAP

Raman pump

MUX TAP

DCF

Raman pump

31dB on-off Raman gain in the link fiber

21.5dB on-off Raman gain in the link fiber

3dB net gain in the DCF (11dB on-off gain)

MUX

Raman pump

MUX

Raman pump

Các thí nghiệm đòi hỏi hiệu suất tạp âm cao nhất sử dụng việc bơm hai chiều. Vậy khuếch đại tổng cộng phải đủ để sử dụng EDFA. Tuy vậy cần phải dự trù một ngân sách quang học cho DCF mà DCF này có thể được bơm (hoặc không), điều này thậm chí có thể cho phép tiến hành bơm cùng chiều.

66


Distributed Raman Amplification:criteria for performance assessment

Example: hybrid amplification (DRA pre-amplification before EDFA)

System performance is all the better as the gain is distributed

uniformly in the span: improves OSNR and reduces NL effects.

bad OSNR

distance

Sign

al p

ower

(dB

m)

non-linear effects

Raman pump

MUX EDFA

Điều quan trọng là cần phải thực hiện các cấu hình bơm khác nhau vừa theo hàm của hiệu suất tạp âm, vừa theo hàm của các hiệu ứng phi tuyến mà các kênh phải chịu. Thực vậy, khuếch đại Raman trong sợi truyền có tác dụng tăng công suất đầu vào của sợi truyền và vì vậy cũng tăng các hiệu ứng phi tuyến. Vậy cần thiết phải giảm công suất tín hiệu này ở đầu vào của sợi truyền để giữ cho chúng không đổi đối với thiệt hại của SNR. Vấn đề này còn gặp nhiều hơn khi bơm cùng chiều. Cũng như vậy, nếu ta sử dụng các EDFA cùng một lúc với tiền khuếch đại Raman, chúng sẽ gặp một công suất đầu vào rất mạnh, vào cỡ khuếch đại Raman, tức là khoảng từ 10 đến 20 dB. Điều này dẫn đến một công suất đầu vào có thể vượt quá 10dBm, và vậy là dẫn đến một hệ số tạp âm suy giảm rõ rệt do sự mất đi của khuếch đại trong tầng 1 đã hoàn toàn bị bão hòa và không cho phép át đi các mất mát của DCF nữa (NF nhiều khi cũng mạnh đến 15 dB !).

D. Bayart

293

67


Final impairment of the amplifier on the system:

Achievable distance is proportional to → Parameter C = Cnoise.Cphase (the smaller the better)

Co-pumping issues to be accounted aside

Criteria for performance assessment (ULH)

inDRSelecASEnoise PRBNC .95*

21

+=

∫=L

Netphase dzzGγC0

)(

Generation of noise

Non-linear phase

2/1)( −phasenoiseCC

Người ta đã chỉ ra cách thêm vào các đóng góp của tạp âm ASE và DRS. Sự lệch pha phi tuyến mà các kênh gặp phải tỉ lệ thuận với tích phân công suất tín hiệu trên chiều dài sợi. Ta cần phải giảm thiểu tích của hai đóng góp này, tăng một trong hai đều gây ra sự mất đi cái còn lại. Các tạp âm chỉ do bơm cùng chiều được thêm vào riêng.

68


Performance for nominal span of 22dB

-65

-60

-55

-50

-45

-40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90DRA co-pumping ratio (% )

C (d

B)

DRA: 21.5/ 22.5dB on/ off ga in in DCF: 11.3dB

A SE noise contributionDRS noise contributionTotal (linear sum)

-65

-60

-55

-50

-45

-40


C (d

B)

DRA: 31.3 / 32.3dB on/ of f ga in in DCF: 0dB

-65

-60

-55

-50

-45

-40


C (d

B)

EDFA

DRA: 17/ 18dB EDFA: 14.3dB

The greatest enhancement step is from all-EDFA to hybrid amplification: 5dB All-Raman amplification potentially provides 2.5dB further improvement

• co-pumping is mandatory to perform all the gain in the link• pumping the DCF enables to use backward pumping only

EDFA, DRA+EDFA, DRA in the link, DRA in the link&DCF

Trong nghiên cứu này, công suất của tín hiệu mỗi lần đều đã được chỉnh lại để giảm thiểu hệ số C trong khi sự phụ thuộc của hệ số tạp âm của các EDFA theo hàm của công suất đầu vào đều đã được tính đến. Nếu ta xét một mất mát giữa các khuếch đại là 22 dB, ta thấy rằng bơm cùng chiều sẽ cho phép giữ cho tạp âm DRS ở mức rất thấp.

69


Performance for nominal span of 22dB:EDFA, DRA+EDFA, DRA in the link, DRA in the link&DCF

-65

-60

-55

-50

-45

-40


C (d

B)

DRA: 21.5/ 22.5dB on/ off ga in in DCF: 11.3dB

ASE noise contributionDRS noise contributionTotal (linear sum)

-65

-60

-55

-50

-45

-40


C (d

B)

DRA: 31.3 / 32.3dB on/ of f ga in in DCF: 0dB

-65

-60

-55

-50

-45

-40


C (d

B)

EDFA

DRA: 17/ 18dB EDFA: 14.3dB

-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2024

0 20 40 60 80 100

z (km)

Pow

er p

er c

hann

el (d

Bm) EDFA

DRA+EDFA

-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2024

0 20 40 60 80 100

z (km)

Pow

er p

er c

hann

el (d

Bm)

0 20 40 60 80 100

z (km)

Hiệu suất cao nhất đạt được đối với trường hợp « toàn Raman » (All Raman) với hệ số khuếch đại đồng hướng mạnh (nhưng cũng phải tính đến các tạp âm khác). Bơm DCF có thể chỉ cho phép một quá trình bơm ngược chiều không có EDFA mà vẫn có cùng hiệu suất như vậy so với khi nó được sử dụng thay cho bơm DCF.

D. Bayart

294

70


All-Raman transmission of 6 Tbit/s over 6120 km

All Raman amplification (First+Second order)

x3

GFF GFF

+D +D

-D

GFF

GFF

Dyn. Gain Equalizer

Link fiber

Tx 149x43Gbit/s Rx

C

L L

C

12 = 6120km

Dyn. Gain Equalizer

Polarizationscrambler

LumpedRaman amp.

LumpedRaman amp.

Trong thí nghiệm truyền dưới biển này (không có DCF bởi vì sự tán xạ được bù trừ bởi việc sử dụng nhiều loại sợi truyền), một cấu hình « All Raman » đã được sử dụng, quá trình bơm bậc hai cho phép thực hiện bơm cùng chiều. Hiệu suất tạp âm do hiệu ứng phi tuyến nhận được đã cho ta một kỷ lục mới về tích số dung lượng.khoảng cách.

71


Experimental results with all-Raman amplificationSpectrum after 6,120km with 149 DPSK channels

• In C-band: more odd than even channels• Gain excursion close to 10 dB after 6120km• OSNR_0.1nm > 16.9dB in L band• OSNR_0.1nm > 14.6 dB in C band

Pow

er10

dB/d

iv.

Wavelength (nm)1530 1550 1590 16101570

C-band L-band

Trong thí nghiệm này, các kênh được lắp đặt trên hai băng C và L với một độ khuếch đại tương đối bằng phẳng để cho các SNR vừa đủ đối với tất cả các kênh nhận.

72


Dispersion Compensating Fiber (DCF)

C band

λ (nm)

C band

λ (nm)

Amplification scheme using second-order pumping

100 km

Line fiber

L

DCF

C

L DCF

C

C band L band

λ (nm)

14271439

1450 14851346

1346nm

Second order Raman pumping using additional pump at 1346nm

Estimated improvement of OSNR ~ 1dB

Quá trình bơm bậc hai bao gồm việc tiêm song song vào trong trường hợp bơm ngược chiều một bước sóng bơm phụ với bước sóng được sử dụng trong bơm Raman của các kênh tín hiệu. Việc bơm phụ này nhằm mục đích tạo ra một khuếch đại Raman với các bước sóng bơm này, mà các bước sóng này được kết hợp với nhau trong sợi quang với một hiệu suất yếu. Vậy các bơm này đầu tiên phải được khuếch đại trước khi đưa vào khuếch đại Raman của tín hiệu (chủ yếu là ở trong sợi quang), cũng cho ta một tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm tốt hơn. Loại bơm này là một loại bơm xen kẽ rất tốt với bơm cùng chiều là loại bơm có thể sản sinh ra rất nhiều vấn đề.

D. Bayart

295

73


Pump-to-signal RIN transfer

Raman effect is very fast (femtosecond)

Locally, the intensity fluctuations of the pump are totally

transferred to the signal by gain (dB)

Effect averaged

- by counter propagation (backward pumping)

- only by chromatic dispersion for forward pumping

Vấn đề đầu tiên trong các vấn đề này liên quan đến việc truyền tải các tạp âm thăng giáng cường độ (RIN) của bơm lên tín hiệu. Các thăng giáng này càng truyền nhiều trong sợi với vận tốc kề nhau, thì sự truyền tải của biến điệu càng hiệu quả.

74


Transfer functions

pumping rd for forwa112

and

pumping backward for 4

with

1log10)10ln(/10

log20)(2

/

−

=

=

+−

+=

PS

Pc

SPc

c

OFFONPS

VV

f

Vf

ffG

RINfRIN

π

απ

α

Assumptions:Distributed Raman amplification: long fiber (50 -100km) Moderate Raman gain, moderate pump RINNo pump depletion

Reference: C. R. S. Fludger and al., Electron. Lett., 2001, 37, (1), pp. 15-17

Hàm đặc trưng cho sự truyền tải RIN có thể được biểu diễn theo hàm của sự tán sắc và của độ khuếch đại được tiến hành. Độ truyền tải này tăng mạnh theo độ khuếch đại và chứa một tần số cắt (fréquence de coupure) thấp.

75


-135

-130

-125

-120

-115

-110

1E+ 0 1E+ 3 1 E+ 6 1E+ 9 1E+ 12Freq uency (Hz)

RIN

(d

B/H

z)

Pump RIN

50 kH z 7 GH z

+ 20log(Gonoff/ 4.34)

Transfer functions

With:RINP=-120dB/HzGonoff =10dBαP=0.25 dBλP=1450nmλS=1550nm

Signal RIN with backward pumping (fc=900 Hz)

Signal RIN with forward pumping- SMF (fc=6 MHz)- Teralight (fc=18 MHz)- may happen with TW and LEAF

Cũng như thế, việc bơm ngược chiều trung bình toàn bộ truyền tải RIN trong khi điều này lại hay gặp hơn trong bơm cùng chiều thậm chí toàn phần trong trường hợp các tán sắc của tín hiệu và bơm là tương đương nhau.

D. Bayart

296

76


Noise impact

+

+=∫ 2

.log10)10ln(/10

log20)( / cOFFONPS

fGRINfRIN π

Backward pumping: induced signal RIN is negligible

Forward pumping (with VS ≠ VP):

to use in:

+= ∫ dffRIN

PP

OSNRBB

PP

µσ

SASE

optelec )(2

/2 1

121

21

Tích phân của tạp âm tổng cộng của RIN được truyền tải bao gồm một số hạng tạp âm phụ cần thêm vào các số hạng tạp âm khác, và phải tính đến nó trong khi tính toán hiệu suất của hệ.

77


Noise impact for co-pumping

= about -40dB= -43dB with SMF= -38dB with TeraLight= -14dB when channel and pump

have same group velocityConclusion: - with pump RIN of about -140dB/Hz the RIN transferred to the signal has negligible effect on the BER - avoid co-pumping with λ0 near1500nm

+= ∫ dffRIN

PP

OSNRBB

PP

µσ

SASE

optelec )(2

/2 1

121

21

Example:10-dB forward gain, NRZ, 10 Gbit/s, RINP=-120dB/Hz

Cũng như thế, tạp âm này đến từ sự truyền tải của RIN thậm chí có thể nổi trội hơn trong một vài cấu hình.

78


Semi-conductor laser diodes with FBG:RIN =-130 to -110 dB/Hz

Raman lasers: RIN of about -110 to -100 dB/HzNew-type laser diodes: RIN<-160 dB/Hz

- few-mode DFB: S. Kado et al., ECOC ’01, PD.F.1.8 (Furukawa)R. P. Espindola et al., ECOC ’01, PD.F.1.7 (Agere)

- no FBG: A. Miki et al., OAA’02, OMB3-1 (Sumitomo)

SOA-based solution: RIN<-140 dB/HzD. Vakhshoori et al., OFC’03, PD47-1 (Ahura Corp.)

Pumps for co-pumping

- 145

- 140

- 135

- 130

- 125

- 120

- 115

- 110

- 105

- 100

- 95

100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 100 000 000

Fréquence (k Hz)

RIN

(dB

/Hz)

Để giảm thiểu tạp âm này, việc đầu tiên là phải sử dụng các quá trình bơm có một RIN rất thấp. Các bơm bán dẫn được sử dụng một cách cổ điển với các ứng dụng Raman hay là bơm EDFA mang lại bất lợi (pénalité) với các khuếch đại vượt khỏi vài dB. Mới đây, các dạng bơm mới có ít mode đã xuất hiện, nhưng rất tiếc là lại sinh ra các vấn đề khác.

D. Bayart

297

79


Implementation of the Raman pump unit

Monitor photodiodes

l1 l1PBC

l2 l2PBC

l3 l3PBC

Mux

Mux

Isolator

Connector

Multimode diodes

Yb Lasercavity

Multi-λ Raman Laser cavity splice

Pump module

Multimodecoupler

Input FBG

Output FBG

DC Yb fiber

Raman fiber

Input FBG Output FBG

Adjustable R=X%output FBG

Monitor PhotodiodesR = 99% R = 99%

Raman fiber laser Multi-pump module

• Up to 16 multimode pigtailed diodes 1.8W• Yb cavity: 70% slope, 270mW threshold• All-fiber Raman cavity

• 14xx nm, 400mW single mode diodes• Possibility to depolarize one diode to

reduce the number of diodes

Có hai công nghệ chính tồn tại cho các nguồn bơm Raman. Công nghệ thứ nhất dựa trên các laser sợi mà mục đích là có thể phát ra nhiều bước sóng bơm cùng một lúc, hay là phát ra một bước sóng phụ cho bơm bậc hai nếu cần thiết. Tuy nhiên RIN của các dạng bơm này quá cao để có thể cho phép bơm cùng chiều. Giải pháp khác là sử dụng các bơm bán dẫn cùng với ghép kênh (multiplexage).

80


Other second-order effects in co-pumping

FWM occurring between pump modes may be an issue • Creation of noise components at signal wavelengths• Function of the pump type (relationship between pump modes)• Function of the zero chromatic dispersion wavelength of the line fiber

Signal-Pump-Signal crosstalk may be also an issue• Caused by depletion regime (pump saturation)• Impact function of the chromatic dispersion of signal wrt pump wavelength

Quá trình bơm cùng chiều có thể sinh ra hai loại tạp âm khác. Loại thứ nhất là tạp âm dạng tham số được trợ giúp bởi Raman, và được hình thành bởi các mode bơm và các thành phần tạp âm của nó sẽ chồng chập lên tín hiệu. Theo hàm định xứ số không (localisation du zéro de dispersion) của độ tán sắc trong sợi truyền, tạp âm này có thể rất bất lợi. Một loại tạp âm thế khác có thể đến từ sự bão hòa của độ khuếch đại bởi tín hiệu trong quá trình bơm dạng cùng chiều. Trong trường hợp này, các biến điệu của tín hiệu được truyền vào khi bơm, sau đó lại truyền đi theo các tín hiệu nhưng lệch về thời gian, dẫn đến các giao thoa xuyên ký tự (inter-symboles).

81


WDM transmissions : Propagation limitation

High SNR not enough for error-free transmission ...

… also needs low deformation of the optical pulses to transmit

Impairments possibly due to non-linear effects, polarization or chromatic group velocity, polarization dependent loss, ...

Review of solutions addressing these issues : dispersion management and compensation, PMD mitigation, ...

Possibility to increase the capacity and the transmission

distance (save cost of electrical regenerators)

Một khi ta đã xác định được một giải pháp thỏa hiệp tốt nhất giữa tạp âm khuếch đại và các hiệu ứng phi tuyến, ta cần phải tối ưu hóa các tham số khác của mối liên kết để giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng này và bù trừ chúng. Thực vậy, độ khuếch đại có thể quan trọng để giảm giá thành khi nó cho phép xảy ra các phục hồi điện trong một mối liên kết đã cho.

D. Bayart

298

82


Transmission fiber types : What are the key differentiators ?

Loss (bare fiber)~0.19 dB/km for SMF (G.652, exists with

or without OH peak)~0.20 dB/km for all the other

transmission fibers

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1200 1300 1400 1500 1600

Loss

(dB

/km

)

λ (nm)

C LS1.3 XL

OH peak suppressed

minloss

Chromatic dispersion D (in

ps/nm.km)Chromatic dispersion slope

D’=dD/dλ (in ps/(nm2.km))

Effective area (in µm2)05

101520

disp

ersi

on (p

s/nm

.km

)1400 1450 1500 1550 1600 1650

Wavelength (nm)

CSMF

(standard fiber G.652)

Effect of dispersion

slope

Chromatic dispersion D (in

ps/nm.km)

D(λ) = D(λ1)+ D’ (λ−λ1) + (λ−λ1)2+... D’’2

Các sợi quang trên đường truyền có một độ tán sắc tương ứng với sự khác nhau của tốc độ nhóm theo hàm của bước sóng. Điều này tăng một cách tuyến tính với bước sóng. Vậy độ tán sắc không giống nhau đối với tất cả các kênh trong băng khuếch đại.

83


λ

δλ

tt

λ

δλ

Effect of chromatic dispersion

Dispersive fiber

Different spectral components travel at

different speeds

Ảnh hưởng của sự khác nhau của vận tốc nhóm giữa các thành phần phổ sẽ dẫn đến một sự mở rộng về thời gian của các xung tín hiệu theo tần số của chúng. Vậy tại điểm thu nhận, ta không thể giải mã được tín hiệu.

84


Slow PSP

Fast PSP

Maximum PMD : +/- 15% of bit duration

@ 40Gbit/s: 3-4ps

Optical & electronic means for mitigation

Over recently installed fiber, manageable even at 40Gbit/s over terrestrial links.

PMD

DGD (ps)

Prob

abili

ty

t

DGD

t

Linear effects in fiber Polarization mode dispersion

Một hiệu ứng khác là sự tán sắc của các mode phân cực (PMD). Vậy vận tốc nhóm sẽ khác nhau tùy theo các trục riêng của sợi, những trục này biến đổi định xứ trong lòng sợi. Vậy các tín hiệu có độ phân cực thay đổi theo thời gian sẽ có sự chênh lệch thời gian khi các thành phần phân cực của chúng lan truyền. PMD là một trung bình thống kê của các chênh lệch này, các chênh lệch này phải rất yếu so với thời gian của xung tín hiệu (chính xung tín hiệu thì phụ thuộc vào dung lượng). PMD là một giới hạn chủ yếu của một số sợi khi sử dụng chúng với các dung lượng là 10Gbit/s, thậm chí 40Gbit/s. Mặc dù có rất nhiều cách, quang học hay điện tử, để có thể giảm ảnh hưởng của PMD, nhưng các cách này thường chỉ được sử dụng riêng rẽ cho từng kênh và điều này làm cho giá thành của nó trở nên rất cao so với lợi ích dự tính trước.

D. Bayart

299

85


Limitations : short list of fibre nonlinearities

Single-channel Multi-channel

Self-phase modulation (SPM)signal optical phase modulated proportionally to signal power;conversion to intensity «noise» by GVD.

Cross-phase modulation (XPM)Signal optical phase modulated proportionally to power of neighboring channels;conversion to intensity «noise» by GVD.

Modulation instability (MI)(anomalous dispersion regime only)selective amplification of noise.

Stimulated Brillouin scattering (SBS)Retrodiffusion of energy;increases fibre loss.

Four-wave mixing (FWM)Generation of new spectral components;crosstalk when overlap with other channels.

Kerr effect

Other interactions with medium

Stimulated Raman scattering (SRS)Energy transfer from lower-wavelength channelsto higher-wavelength ones.

n = n(ω) + n2P(t)Aeff

Ở đây ta nhắc lại một cách ngắn gọn các hiệu ứng phi tuyến bất lợi nhất và các đặc trưng của chúng. Đầu tiên là các hiệu ứng phi tuyến dạng Kerr, được sinh ra từ sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất của sợi quang vào công suất của các kênh. Cũng như vậy, các công suất quang học mạnh của các kênh được biến điệu sẽ làm biến điệu chiết suất và gây ra các sự méo. Chiết suất có thể bị biến điệu hoặc bởi công suất quang học riêng của kênh được xét tới (đây là sự tự biến điệu pha hay là SPM), hoặc là bởi công suất của các kênh kề nhau (đây là hiệu ứng biến điệu pha đan chéo nhau hay là XPM). Cũng có thể tồn tại ở đó, vì do môi trường phi tuyến, tương tác giữa các kênh kề nhau và sự hình thành các thành phần điều chế giữa các kênh cảm ứng chồng chập trong các kênh và suy giảm chất lượng truyền: đây là sự trộn 4 sóng. Các hiệu ứng phi tuyến khác như là hiệu ứng tán xạ Raman và hiệu ứng tán xạ Brillouin, được hình thành từ các tương tác giữa các phôton hay phônon trong môi trường, cũng làm suy giảm hiệu suất. Các thiệt hại của các hiệu ứng này trong trường hợp cụ thể là truyền 10Gbit/giây được chỉ rõ ở trong các slides kế tiếp.

86


Effect of SPM : Example of waveforms distorted by SPM

2 dBm

17 dBm

18 dBm

20 dBm

9 kmDCF

80 kmSMF

80 kmSMF

9 kmDCF

Tx Rx

SPM primarily affects leading/trailing edges of pulses

Pin Pin

Pin:

Đầu tiên chúng ta đã đặc trưng độ méo sinh ra do quá trình tự biến điệu pha hay còn gọi là SPM (Self Phase Modulation). Sơ đồ thí nghiệm như sau: hai đoạn sợi chuẩn dài 80km có độ tán sắc được bù tán sắc bởi sợi bù trừ. Ta truyền một bước sóng duy nhất trên đường (vậy không có hiệu ứng phi tuyến đan chéo) và ta tăng dần dần công suất của kênh để làm nổi bật các hiện tượng méo sinh ra. Trên các đường cong tiếp theo, ta biểu diễn các xung theo hàm của thời gian với mỗi kênh khác nhau. Với 2dBm trên một kênh, ta nhận thấy rằng độ méo của các xung là tối thiểu và rất dễ dàng phân biệt giá trị ‘1’ và giá trị ‘0’. Trái lại, khi công suất tăng, hiệu ứng của SPM càng ngày càng rõ nét và ta nhận ra rằng đầu tiên các xung bị ảnh hưởng lên mặt lên và mặt xuống, trước khi bị méo hoàn toàn ở các công suất cao hơn nữa. Điều đó sẽ làm cho việc xác định các 0 và 1 trở nên khó khăn.

D. Bayart

300

87


Effect of XPMExample of waveforms distorted by XPM

Transmission over 2x100 km NZDSF

(GVD = 3ps/nm.km)

2 channels at 10 Gbit/s :signal : Pins = 2 dBmpump : Pinp = 13 dBm

Pump-signal delay varies by 20 ps

steps

Recorded through 15 GHz photodiode

Distortions depend on the modulation of adjacent channels

Trái lại, độ méo gây bởi XPM đều định vị nhiều nhất ở trên mặt lên và xuống của các xung và điều này rất khó chịu. Thực vậy, độ méo được tạo thành bởi sự biến điệu của các kênh kề bên kênh đang xét và làm cho các thông tin bị suy giảm. Ta đã làm rõ hiệu ứng này khi truyền hai kênh trên 200km sợi có độ tán sắc kém (điều này làm tăng hiệu suất XPM). Hai kênh được biến điệu ở 10Gbit/giây. Kênh tín hiệu có công suất 2dBm (là công suất thấp để hạn chế hiệu ứng SPM để tập trung vào hiệu ứng đan chéo) và một kênh bơm có công suất 13dBm đưa vào từ XPM của phần cường độ biến điệu của nó. Ta đã xem xét sự trễ điện giữa các biến điệu được mang bởi hai kênh, và ta nhận thấy rằng các độ méo dịch chuyển trong các xung của kênh được dò. Ta cũng nhận thấy sự xuất hiện các đỉnh hay các hố. Điều này rất phiền vì trong thực nghiệm ta không kiểm soát được các thông tin được truyền bởi các kênh, điều này làm cho các hiện tượng méo này xuất hiện một cách rất ngẫu nhiên trên các tín hiệu xác định được, làm cho việc tối ưu hóa sự lựa chọn pha và ngưỡng chính xác để phân biệt 0 với 1 trở nên rất khó khăn.

88


Effect of XPMImpact of spectral spacing and GVD

XPM penalty increases significantly when • spectral channel spacing is reduced• the local dispersion of the fibre is reduced

Note : at 50 GHz spacing (dotted), filter cross-talk causes 1dB penalty

Pins = 2 dBm

Pinp = 8 dBm

NZDSF(GVD=3ps/nm.km)

SMF(GVD=17ps/nm.km)

XPM

Pen

alty

(dB

)

Channel spacing (GHz)

0123456

0 200 4000123456

0 200 400

Hiệu ứng XPM này càng có hiệu lực khi độ tán sắc của sợi yếu và khi các kênh được truyền có bước sóng gần nhau, bởi vì bước sóng tương tác giữa các xung cũng lớn hơn và các hiệu ứng cũng được khuếch đại. Ngay khi đó, khi ta xét các quá trình truyền cần đến sự góp mặt của các bộ ghép kênh rất chặt trên các sợi có độ tán sắc yếu, sự biến điệu pha đan chéo sẽ là một hiệu ứng rất hạn chế. Trái lại, ta nhận thấy rằng với các tán sắc yếu, hiệu ứng này được giảm đi rất nhiều.

D. Bayart

301

89


Effect of FWMImpact of the fibre GVD

50 GHz spacingWorst case configuration only

NZDSF(GVD=3ps/nm.km)

SMF(GVD=17ps/nm.km)

Pins = 2 dBm

Pinp = 8 dBm

f1 + f2 = f3 + f4With only two channels :

f4 = 2f2 - f1or f4 = 2f1 - f2

2f1-f2 2f2-f1

f1 f2

High intensity of FWM intermodulation products over low local dispersion fibre

Trên slide này, các bạn có thể thấy ảnh hưởng của sự tán sắc lên hiệu suất của việc trộn bốn sóng. Thực vậy, độ tán sắc càng kém thì độ lệch pha giữa các kênh càng kém và hiệu suất trộn bốn sóng càng cao. Ta có thể thấy rõ ở đây rằng: với các độ tán sắc định xứ yếu, các thành phần sinh ra từ phách giữa các kênh càng rõ nét, và vì vậy ta không thể phân biệt được chúng khỏi tạp âm trong trường hợp tán sắc mạnh. Ta thấy rất rõ ở đây rằng trong trường hợp số lượng kênh lớn và cách đều nhau về mặt bước sóng, các thành phần intermodulation sẽ xuất hiện chồng chập lên các tín hiệu và làm suy giảm chúng.

90


Road to 10 Tbit/s: fiber typesChromatic dispersion

In terrestrial systems, re-use installedfibers whenever possible!

-10

-5

0

5

10

15

20

Chr

omat

icdi

sper

sion

(ps/

nm.k

m)

1400 1450 1500 1550 1600 1650Wavelength (nm)

DSF(dispersion-

shiftedfiber)

Cband

At the beginning of the WDM era:

SMF(standard

fiber)

dispersive fiber(here +D)

λ λ

time time• Near zero-dispersion region ideally suited for single-ch. (cf. soliton)• but, because of cross-nonlinearities (most limiting effect at Nx10Gb/s), forbidden for WDM operation.

#2 #1

δλ

#2

#1

DLδλ

#2 #1

δλλ

Nếu như ta muốn có độ tán sắc định xứ mạnh để có thể giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến đan chéo trong trường hợp truyền dùng kỹ thuật WDM, thì sự tồn tại của chỉ những hệ thống đơn kênh và việc không có DFC có độ mất mát kém trong những năm của thập niên 80 đã dẫn đến việc hiệu chỉnh các sợi G653 (DSF) mà điểm không của độ tán sắc (zéro de dispersion) nằm ở trong vùng mất mát yếu của các sợi. Trái lại, các sợi theo qui ước có điểm không của độ tán sắc vào khoảng 1,3 µm. Để có thể sử dụng các sợi này ở các nước có liên quan (Italy, Mêhicô, Nhật Bản), các hệ thống vận hành với băng L đã được đề nghị, cũng cho phép tìm thấy các giá trị khác không của độ tán sắc.

91


0.1

1

10

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Tbit/

s

A. Chraplyvy et al., OFC’94 (NZDSF+/-)

-10

-5

0

5

10

15

20

Chr

omat

icdi

sper

sion

(p

s/nm

.km

)

1400 1450 1500 1550 1600 1650

λ (nm)

DSF

SMF Cband

H. Taga et al., ECOC’94 (NZDSF+/-)

NZDSF-

NZDSF+

Nx10Gbit.s∆f<200GHz

To avoid zero-dispersion region:

Non-zero dispersion-shifted fibers

NZDSF+ or NZDSF-but ch. spacing started

narrowing...

D. Garthe et al., ECOC’96 (NZDSF-)

Road to 10 Tbit/s: fiber typesFirst-generation NZDSF fibers

Sau đó, các sợi NZDSF đã được đưa ra để giảm chất lượng của DCF so với các sợi SMF (ta biết rằng DCF được lắp đặt ở tầng giữa của các EDFA làm suy giảm rõ rệt hệ số tạp âm của chúng và mang theo một phần quan trọng các hiệu ứng phi tuyến mà các tín hiệu gặp phải). Trong trường hợp này, điểm không của độ tán sắc đã được đặt ngay cạnh băng của các EDFA. Tuy nhiên, mức của độ tán sắc là quá yếu để có thể cho phép truyền 10 Gbit với các khoảng cách giữa các kênh nhỏ. Vậy các thế hệ đầu tiên của các sợi NZDSF bán được tương đối ít.

D. Bayart

302

92


Transmission fiber

Compensating fiber

disp

ersi

ohC

umul

ated

di

sper

sion

distance

Average GVD

ReceiverTransmitter

Residual GVD

+D

-D -D -D -D

+D +D

Location of DCMs criticalto assess performance!

= dispersion map(use simulation tools)

Effect of uncompensated dispersion slope

Over long distances, or at high rate

(40Gbit/s), DCMs withdispersion slope

compensationcapability needed

Road to 10 Tbit/s: fiber typesDispersion compensation

Đối với các sợi DCF cũng đã rất cần phải đạt được nhiều tiến bộ. Thực vậy, vì độ tán sắc của các sợi biến đổi theo bước sóng, độ tán sắc của DCF cũng phải biến đổi cùng một tỉ lệ như vậy. Việc không được bù trừ của độ dốc (slope) này mang đến ở đầu thu một độ tán sắc gộp lại khác không và biến thiên theo các kênh đòi hỏi phải có một sự bù trừ từng kênh một.

93


Cum

ulat

ed

disp

ersi

on

distance

Cum

ulat

ed

disp

ersi

on

distance

Cum

ulat

ed

disp

ersi

on

distance

No/partial dispersion slope compensation

No/partial disp. slope compensation but

channel by channel compensation at

receiver end (cost!)

Full dispersion slopecompensation

ChannelsPena

lty

ChannelsPena

lty

ChannelsPena

lty

Residual dispersion discrepancies

In-line compensation discrepancies

Variations in local dispersion

Dispersion slope compensation issues

Như chỉ ra ở đây, tuy thế nhưng sự bù trừ từng kênh một tại điểm thu nhận đã xuất hiện quá chậm để có thể bù trừ các hiệu ứng được sản sinh một cách hoàn hảo, và lại tốn kém. Vậy điều quan trọng là phải có một DCF cũng có thể bù trừ được độ dốc của sợi.

94


0% dispersion slopecompensation

Channels

Erro

r rat

e 50% dispersion slopecompensation

Channels

Erro

r rat

e

dispersive fiber(here +D1)

Cum

ulat

eddi

sper

sion

(ps/

nm)

Distance (km)

typ. 80-100km

Dispersion and dispersion slope compensation with WDM transmissions

Compensating fiber (-D2)

100% dispersion slopecompensation

Channels

Erro

r rat

e

Sự chênh lệch của hiệu suất theo các cấu hình một lần nữa lại được thể hiện trên slide này.

D. Bayart

303

95


+Line fiber

Dis

pers

ion

0

15

Wavelength1520 1580

Matched compensating fiber

Dis

pers

ion

-80

-100

Wavelength1520 1580

Matching the line fiber with the compensation (1)

Vậy các DCF tương thích với sợi đã được phát triển.

96


ZOOM

+Line fiber Matched compensating fiber

Wavelength1520 1580-20

20

Dis

pers

ion

Matching the line fiber with the compensation (2)

Trong trường hợp này, tất cả các kênh có đều có độ tán sắc hoàn toàn được bù trừ trên đường truyền.

97


Wavelength1520 1580

-0.75

0.75

Dis

pers

ion

0Key parameter for broad-band

slope compensation

Slope of the slope also impacts !

For negative dispersion fibers, the dispersion is not linear ...

Criteria : Residual Dispersion Slope (RDS)

Tuy nhiên, bù trừ các biến thiên bậc nhất của tán sắc với bước sóng là chưa đủ so với các dung lượng rất cao (40 Gbit/s) và chỉ riêng các chênh lệch do biến thiên bậc hai không được bù trừ là đã đủ để gây ra độ tán sắc quá mạnh đối với một vài kênh ngang.

D. Bayart

304

98


Dispersion and dispersion slope simultaneouscompensation

G.655 fibers

0.0065 0.0102 0.0202

TeraLight Truewave-RS LEAF

RDS (nm-1)

Transmission fiber

Lline, Dline, D’line

Compensating module

LDCF, DDCF, D’DCF

1 span :1 span :

Dispersion compensation: DlinexLline=-DDCFxLDCF

Slope compensation: D’linexLline =- D’DCFxLDCF

Parameter to consider: RDSRDS (D’fiber/Dfiber)

More and more difficultdifficult and expensiveexpensive to compensate

Các DCF tương thích với mỗi loại sợi cáp đã được phát triển, với sự bù trừ độ dốc tương đối tốt có thể theo từng loại sợi.

99


-10

-5

0

5

10

15

Chr

omat

icdi

sper

sion

(p

s/nm

.km

)

1400 1450 1500 1550 1600 1650

λ (nm)

DSF

SMF Cband NZDSF+

Nx10Gbit.s∆f=100GHz

TW RS

LEAF or Freelight

0.1

1

10

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Tbit/

s

Lband

NZDSF fibers (only + D) with slightly larger dispersion, and

• larger effective area toreduce all non-linear effects• low dispersion slope to reduce ch. heterogeneity.Both beneficial, but not in the same fiber type!While L-band appears out ofzero-disp. region, ch. spacing narrowed again...

V. da Silva et al., ECOC’97 (LEAF) D. Peckham et al., ECOC’98 (RS)

Road to 10 Tbit/s: fiber types : 2nd generation NZDSF fibers (1)

Một thế hệ thứ hai của loại sợi NZDSF sử dụng một tiết diện hiệu dụng rộng hơn đã được phát triển với mục đích giảm bớt các hiệu ứng tán sắc yếu so với các hiệu ứng phi tuyến. Vả lại, độ dốc của độ tán sắc đã được giảm. Loại sợi này cũng cho phép truyền Nx10Gbit/s với khoảng cách giữa các kênh là 100GHz trong băng C.

100


Effective area / dispersion slope trade-offs

Low

er is

bet

ter

Higher Aeff reduces non-linearities

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100Effective Area (µm²)

Dis

pers

ion

Slop

e (p

s/nm

².km

)

LEAF

Truewave Truewave RSRS

TeraLightTeraLight

Simulation data

(simulation work based on conventional fiber profiles)

Cần phải tìm một thỏa hiệp đối với việc chế tạo các sợi NZDSF để vừa tăng tối đa tiết diện hiệu dụng và giảm thiểu độ dốc tán sắc, mà vẫn giữ được độ mất mát nhỏ. Vùng trong đó độ dốc của độ tán sắc tăng ít so với tiết diện hiệu dụng đã được xét đến đối với các sợi NZDSF thế hệ mới.

D. Bayart

305

101


Dispersion compensation:

Revitalized SMF-based networks, DCM loss being masked by dual-stage amplifiers

Dispersion CompensatingModule = module withdispersion of opposite sign to that of transmission fiber.

Technologies :• Dispersion Compensating Fiber (by far the most widely employed), • Higher-order mode fiber, • Virtual imaged phased array• Fibre Bragg Grating

DCM

EDFAEDFA-8 dBm +17 dBmDCM

• In linear systems, dispersion compensation located anywhere without performance variations.• But… do linear systems really exist ?

From dispersion compensation to dispersion management

Với các mất mát ít của chúng và thiên hướng quản lý tập hợp các kênh trên cùng một sợi, DCF được sử dụng với các DCM-Các modun bù tán sắc. Khi không có các hiệu ứng phi tuyến (điều này không bao giờ xảy ra), sự bố trí các mođun DCF trên đường không ảnh hưởng tới hiệu quả của hệ. Mà hoàn toàn trái lại ! … vì chính là sau mođun bù trừ (nằm ở tầng giữa các EDFA) mà các mức của công suất là cao nhất trong mối liên kết. Hơn nữa, vì công suất đầu vào của các DCM cần phải đủ lớn để tránh ảnh hưởng quá mạnh của tạp âm của tầng thứ hai của EDFA, điều này lại sinh ra một số lượng lớn các hiệu ứng phi tuyến trong DCF, hơn nữa các sợi về bản chất là có lõi nhỏ nên các hiệu ứng này lại càng tăng mạnh.

102


A powerful technique for nonlinearity suppression : Dispersion Management

Dispersion managementHigh local dispersion: reduction of nonlinear impairmentsLow average dispersion: weak signal distortion

Dis

pers

ion

Distance

Management period

D+D+ D-D-D+ D- D+ D- D+ D-

Study of the optimum dispersion mapDefinition of the next generation WDM fibre

Một trong các kỹ thuật hiệu quả nhất hiện nay để chống lại sự suy thoái do các hiệu ứng phi tuyến dạng Kerr là trông cậy vào việc quản lý độ tán sắc. Thực vậy, gián tiếp do độ tán sắc mà độ méo sinh ra từ các hiệu ứng phi tuyến làm biến dạng các xung tín hiệu truyền. Hơn nữa, ta đã thấy rằng độ tán sắc định xứ cao hạn chế các hiệu ứng XPM và FWM. Tuy nhiên, cũng phải loại bỏ sự tích tụ của độ tán sắc bởi vì nó làm suy giảm phẩm chất của các xung. Việc quản lý hiện tượng tán sắc cho phép đạt được thỏa hiệp này bằng cách có một sợi tán sắc mạnh được bù trừ một cách tuần hoàn bởi sợi bù trừ có độ tán sắc mạnh theo chiều ngược lại. Cũng như thế, sự tán sắc định xứ là rất mạnh nhưng độ tán sắc trung bình lại rất nhỏ. Sự bù trừ tán sắc của sợi được tiến hành đều đặn trên đường truyền, với một lượng bù trừ nhất định khi phát và khi thu nhận.

D. Bayart

306

103


Dispersion Management : Residual dispersion is no more the criterion

Alternate NZDSF(+3.0 / -2.7 ps/nm.km)

Alternate NZDSF(+3.0 / -2.7 ps/nm.km)

-1

5

1 3 5 7

Length (km)

Cum

.dis

p. (p

s/nm

)

-1

5

1 3 5 7

Length (km)

-800

0

800

0 200 400 600-400

0

1200

0 200 400 600

Pena

lty (d

B)

Ch. number Ch. number

Residual dispersion = 350 ps/nm at the centre of the multiplex

Due to nonlinearities, residual dispersion is no more the criterion !

NZDSF+(+3 ps/nm.km)

-1

5

1 3 5 7

Length (km)

0

1600

0 200 400

Ch. number

600

Để chỉ ra tính phức tạp của việc tối ưu hóa một cấu trúc bù trừ như vậy, ta giới thiệu ở đây 3 biểu đồ biểu diễn độ tán sắc tích tụ theo khoảng cách truyền, và các độ bất lợi (pénalité) tương ứng nhận được tại điểm thu trên 8 kênh truyền. Độ bất lợi càng nhỏ thì truyền càng tốt. Lưu ý rằng ba cấu trúc bù trừ này đều mang lại một giá trị của độ tán sắc tích lũy, trong chế độ tuyến tính, điều này làm cho chúng có cùng một hiệu suất. Tuy nhiên, khi xuất hiện các hiệu ứng phi tuyến, các hiệu suất truyền lại rất khác nhau. Biểu đồ ở giữa (màu xanh da trời) cho ta hiệu suất rất tốt trong khi hai biểu đồ kia cho ta các độ bất lợi rất mạnh trên một vài kênh (màu vàng) hoặc tất cả các kênh (màu xanh lá cây). Sự chênh lệch về hiệu suất này là do sự xuất hiện của các hiệu ứng phi tuyến mà các hiệu ứng này tương tác với các tín hiệu theo các cách khác nhau trên đường truyền tùy theo cấu trúc bù trừ mà ta lựa chọn. Điều này chỉ ra sự cần thiết tối ưu hóa một cách tinh tế cấu trúc của các hệ thống truyền để có thể giảm thiểu các hiện tượng méo.

104


-4000

400800

12001600

0 200 400 600Length (km)

Cum

.disp

. (ps

/nm

)

-800

-400

0

400

800

0 200 400 600Length (km)

Cum

.disp

. (ps

/nm

)

05

10

1 8

Numerical

Experimental

05

10

1 8Pena

lty (d

B)@

10-

10BE

R

Channel number

Best maps

8x10 Gbit/s, 200 GHz spacing, 200 ps/nm - step optim.

Dispersion ManagementExp. & numerical optimisation

Terminals and in-line compensation compulsory

Terminals comp. only

Terminals & in-line comp.

Chúng ta có thể tự hỏi rằng vậy độ bất lợi sẽ là bao nhiêu nếu như hệ thống hoạt động khi chỉ đưa bù trừ vào các đầu mút của đường truyền (ở đây là bên trái) khi so sánh với bù trừ trên đường truyền. Ta thấy rằng nếu chỉ có bù trừ ở các đầu mút, mặc dù tinh nhất có thể, thì cũng là chưa đủ khi các hiệu ứng phi tuyến rất mạnh, và cần phải trợ thêm vào đó hệ bù trừ trên đường truyền để có thể đảm bảo độ bất lợi nhỏ khi truyền trên các kênh (gần như bằng không ở đây).

D. Bayart

307

105


-800-400

0400800

1200

0 100 200 300 400

C-Band L-BandC

umul

ated

dis

pers

ion

( ps/

nm)

Transmission length (km) Transmission length (km)-800-400

0400800

1200

0 100 200 300 400

#1

#80

#81

#150

Dispersion mapInvidual dispersion compensation for each band

Almost 100% in-line compensationCommon DCF length optimized in the booster and in the preamplifierResidual dispersion range:

470 ps/nm between ch. #1 and ch. #80 in C-band, 550 ps/nm between ch. #81 and ch. #150 in L-band.

Trong thực nghiệm, ta tìm cách sử dụng cùng một chiều dài DCF trong mỗi một bộ khuếch đại. Để giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng đan chéo giữa các kênh, cần phải tránh việc đồng bộ lại thông qua DCF trong khi chúng truyền qua các EDFA. Một sự siêu bù trừ (surcompensation) cũng có thể được sử dụng, điều này cho ta một độ dốc của tán sắc tích tụ theo khoảng cách. Mođun của DCF được đặt ở đầu vào của hệ cho phép đồng bộ lại các kênh trong khi DCF đặt ở đầu ra sẽ tối ưu hóa giá trị tán sắc tích tụ tổng cộng. Một họa đồ về tán sắc như vậy cũng cho phép hệ thống hoạt động với độ bất lợi nhỏ. Với một chức năng sử dụng đồng thời băng C và băng L, các môđun DCF khác nhau được sử dụng với mỗi dải băng tần.

106


TeraLightTM Fiber

-800

-400

0

400

800

1200

0 100 200 300

Dis

p. (p

s/nm

)

L-Band

#65#128

-800

-400

0

400

800

1200

0 100 200 300

C-Band

#1#64

Transmission length (km)

Very high spectral efficiency enhanced cross-nonlinearitiesTeraLightTM dispersion-optimised NZDSF fibre (8ps/nm.km at 1.55 µm)

large effective area (65 µm2 at 1.55 µm)low dispersion slope (0.057ps/nm2.km)larger dispersion makes dispersion slope easier to compensate for

Sợi TeralightTM cũng đã được chế tạo để có thể tính đến toàn bộ các yêu cầu trên. Giá trị tán sắc của sợi cao hơn so với các loại NZDSF khác, điều này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, hơn nữa nó có một tiết diện hiệu dụng lớn mà vẫn giữ được độ dốc của tán sắc nhỏ. Vả lại điều này được bù trừ dễ dàng với một DCF vì giá trị của tán sắc của nó cao hơn. Giá trị đó nhỏ hơn một nửa giá trị của SMF, điều này cũng làm giảm số lượng của DCF có mặt trong các EDFA, giảm cả các hiệu ứng phi tuyến trong đó và bảo đảm một hệ số tạp âm được cải thiện.

107


From Nx10Gbit/s to Nx40Gbit/sEstimation of system margins

Ope

ratin

g po

wer

per

cha

nnel

at

fibe

r inp

ut

Nx10Gbit/s0.2 bit/s/Hz

Erbium only


Erbium onlyUpper power limit(non-linear effects)

Lower power limit(dictated by SNR)6dB

>5dB ?


dual-stage Er/Raman

0.5 dB

Estimations assuming 100km-long spans of fiber

3 dB

5 dB FEC reduced by forward error correction (FEC)

5 dB FEC

5 dB FEC

ZONE OF OPERATION

Một câu hỏi quan trọng có liên quan đến sự di chuyển các hệ thống từ một dung lượng đơn vị 10Gbit/s đến 40Gbit/s. Băng lọc của bộ thu nhận sẽ tăng lên 4 lần, điều này có nghĩa là tạp âm phách tín hiệu/tự phát sẽ mạnh hơn 6 dB. Vả lại, với 40Gbit/s, các hiệu ứng xuyên kênh (intercanaux) trở thành hạn chế và cần phải giảm công suất các kênh đi nhiều dB. Dung sai (tolérence) trên công suất của các kênh nhận được cũng giảm mạnh. Khuếch đại Raman cho phép cải thiện hiệu suất tạp âm đi vài dB trong khi công suất của các kênh cần phải giảm đi một chút để có thể giữ cho các hiệu ứng phi tuyến không đổi. Cuối cùng, các thế hệ mới của mã sửa lỗi đã mang đến một giới hạn phụ đáng kể bất kể là với loại hệ thống nào, ít nhất là

D. Bayart

308

đạt được mức tạp âm đòi hỏi, xa nhất là sẽ có thể truyền kênh mà không còn độ bất lợi (pénalité).

108


WDM transmissions : Record experiments

How getting highest capacity / spectral efficiency by an appropriate channel power management giving :

- High output SNR

- Compensation of non-linear effects

and owing to :- Efficient modulation format / detection scheme

- Overhead in data supported by the signal

Vậy các hiệu suất tốt nhất nhận được khi tối ưu hóa toàn bộ các thông số. Đầu tiên, các bộ khuếch đại quang băng rất rộng được sử dụng để trích ra một phần trên tất cả dải băng truyền có thể có trong sợi. Sau đó, trong việc quản lý một cách tốt nhất các hiệu ứng xấu khi truyền kênh trong một băng truyền rộng như vậy, điều cần thiết là phải xác định các đặc trưng tốt nhất có thể đối với sợi truyền thích hợp nhất, nhưng vẫn phải tiếp tục nghiên cứu các hiệu ứng hạn chế khi mà băng truyền thì ngày càng tăng, để có thể thoát khỏi điều đó một cách tốt nhất. Sau đó, cũng cần thiết phải sử dụng các dạng biến điệu thích hợp nhất cho việc sử dụng toàn bộ băng truyền và xác định sự thỏa hiệp tốt nhất lưu lượng của từng kênh/khoảng cách giữa các kênh, biết rằng lưu lượng của một kênh càng tăng thì càng khó quản lý các hiện tượng hạn chế, và cũng như vậy khi ta cho các kênh tiến lại gần nhau.

109


Principle of the 10-Tbit/s experiment

Wavelength (nm)1600 1601 1602 1603

Left-sidefilter

Right-sidefilter

Pow

er

20dB

/Div

.

50GHz 75GHz

z

y

x

Alternative 75 GHz and 50GHz channel spacings

Vestigial side-band filtering at the receiver end

Polarization division multiplexing

Record spectral efficiency 1.28bit/s/Hz

Để chỉ ra các tối ưu này, một thí nghiệm nhằm mục đích truyền với dung lượng tổng cộng 10Tbit/s đã được thiết lập. Để tăng tối đa mật độ phổ của thông tin mà vẫn giữ được tối thiểu các hiệu ứng giữa các kênh, một bộ ghép kênh phân cực đã được sử dụng, cũng như vậy, lần đầu tiên đối với các hệ quang học, một kỹ thuật nhận băng ngang cũng đã được sử dụng. Kỹ thuật này sử dụng thông tin được mã hóa đối xứng trên các kênh, cũng cho phép dò ngang (détection latérale). Điều này cũng cho phép một sự chồng chập của các kênh lên phổ, và vì vậy ta có một mật độ thông tin cao hơn (1,28 bit/s/Hz).

D. Bayart

309

110


C

LRx

100 kmTeraLightTM

PBS

1x32

42.6Gb/s223-1 FEC

Q

Q

M-Z

M-Z

#1

#128

3dB

DCF

C

L

Polar.demux.

C

L

DCF

L

DCF

C

42.6Gb/s215-1 FEC

Q

Q

M-Z

M-Z3dB

DCF

C

1x32L

3dB

C

L

1x32C

1x32L

3dB

C

L

Experimental set-up

Erbium amplifiers and Raman amplifiers,Full 40 Gbit/s ETDM equipment with FEC at Tx / Rx (Si-Ge technology).

Một lưu lượng trên một kênh là 40 Gbit/s đã được sử dụng cho một tập hợp 128 kênh. Các đoạn của chuỗi các xung khác nhau đã được lựa chọn với hai bộ biến điệu sao cho có thể tránh được tất cả các hiệu ứng kết hợp không mong muốn. Khuếch đại EDFA và Raman và sự bù trừ tán sắc với mỗi băng bảo đảm cho sự vận hành của băng C và băng L. Cuối cùng, một sự vượt trội dung lượng đã cho phép sử dụng mã sửa lỗi một cách có hiệu quả và sợi TeralightTM đã được sử dụng.

111


Experimental spectra

C-band L-band

Wavelength (nm)

P(dB

m)

Boosterinput

Pre-amplifierinput, Ramanpumps off

Pre-amplifierinput, Ramanpumps on (17dB gain).

-45-35-25-15

-5

-55-45-35-25-15

-35-25-15

-55

1520 1540 1560 1580 1600 1620

-35-25-15

-55

Boosteroutput

(a)

(b)

(c)

(d)

Các phổ tín hiệu đã được quản lý sao cho giữ vững được SNR cao trên tập hợp các kênh. Cũng như thế, các EDFA được chế tạo sao cho có một độ dốc phổ khi phát để có thể bù trừ hiệu ứng Raman phát sinh trong sợi truyền.

112


Experimental results

253035

253035

1525 1545 1565 1585 1605

10-3

10-4

10-5

10-6

Wavelength (nm)

unco

rrec

ted

BER

SNR

(in

0.1n

m)

Left-side filtering

Right-side filtering

Left and Right-side filtering

Các giá trị của tỉ số lỗi Bit đo được cả bên này và bên kia các kênh đều khớp với các SNR đã được ghi lại.

D. Bayart

310

113


Measured FEC performance at 40Gbit/s

1.0E-15

1.0E-14

1.0E-13

1.0E-12

1.0E-111.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-04 1.0E-03

BER without FEC

BER

with

FEC

All the channels exhibit uncorrected BERs larger than 10-4.

Error-free transmission afterForward error correction

BER < 5. 10-15 after correction

Sau khi sửa bằng thuật toán tại điểm thu nhận, sự truyền hầu như không có lỗi được chứng minh, nó cũng chỉ ra hiệu lực của các mã sửa lỗi đối với các hệ thống truyền.

114


10 Tbit/s experiment : Features

10.2 Tbit/s capacity over 100km TeraLightTM fiber

Record spectral efficiency = 1.28 bit/s/HzVestigial side-band filtering in receiver Specific wavelength-allocation schemePolarization division multiplexing

Full 42.6Gbit/s ETDM equipment with FECC

Er/Raman amplifiers.

Thí nghiệm này cũng chỉ ra dung lượng truyền cao hơn 10 Tbit/s trong sợi quang theo các tối ưu hóa liên tiếp khác nhau. Khoảng cách truyền tổng cộng được thực hiện là 300 km.

115


Record spectral efficiency: 1.28 bit/s/Hz

>1 Mio. ADSL internet-links or 200 Mio. ISDN lines over one fiber

TeraLight Fibers

RamanPumps

C/L-BandEDFAs

40 Gbit/s ETDM Tx/Rx(using SiGe electronics)

64 C-band laser diodes

64 L-bandlaser diodes

Multi-Terabit/s transmission capacity10.2Tbit/s (256 x 42.7Gbit/s)

Hình vẽ này chỉ ra các thiết bị khác nhau được sử dụng trong thí nghiệm với các bộ phát/thu hoạt động tất cả bằng điện tại 40Gbit/s. Dung lượng 10Tbit/s này cũng cho phép cung cấp 1 triệu đường truyền ADSL 1Mbit/s cho mỗi đường.

D. Bayart

311

116


RxC

L

SMF*

L

C

SMF*

C

L

#1

#79M-Z

Q

Q

1x40

#2

#80M-Z1x

40

42.7Gb/s231-1

PBC

Bessel 12GHz

Bessel 12GHz

Q

QC-Band : ch. 1 - 80

L-Band : ch. 81 - 159 LOOP

Evaluating Transmission Systems over Ultra-long haul distance : lab experimental set-up

42.7Gb/s231-1

Recirculation loops : an economical tool for the assessment of novel 40 Gbit/s technologies *SMF : Single Mode Fiber

Để ước lượng dung lượng truyền của những dung lượng rất lớn trên các khoảng cách dài, một vòng lặp tuần hoàn đã được sử dụng để có thể mô phỏng hệ thống thực mà không cần phải triển khai tất cả chiều dài sợi mong muốn, tất các các thiết bị được sử dụng vẫn như cũ.

117


Possibility to evaluate the transmission of the channels over any distance Enables system validation of the potential technologies for 40 Gbit/s

C

L

C

L

DCF*

x2

100 kmDGEC

DGEL

C

L

7x

C

L

100 km

Tx(159x42.7Gbit/s)

Rx

Evaluating Transmission Systems over Ultra-long haul distance : composition of the loop

*DCF (Dispersion Compensating Fiber

Trong vòng lặp này, ba liên kết đã được biểu diễn và hoàn toàn được trang bị bằng các khuếch đại và bù trừ tán xạ. Các kênh cũng sẽ được lặp lại một số lượng lần cho đến khi đạt được khoảng cách truyền mong muốn.

118


Time synchronization in order to select the targeted distance

C

L

C

L

DCF

x2

TeraLightTM Ultra100 km

DGEC

DGEL

C

L

7x

C

L

100 km

Tx(159x42.7Gbit/ s)

Rx

C

L

C

L

DCF

x2


DGEC

DGEL

C

L

7x

C

L

100 km

Tx(159x42.7Gbit/ s)

Rx

C

L

C

L

DCF

x2


DGEC

DGEL

C

L

7x

C

L

100 km

Tx(159x42.7Gbit/ s)

Rx

C

L

C

L

DCF

x2


DGEC

DGEL

C

L

7x

C

L

100 km

Tx(159x42.7Gbit/ s)

Rx

Loop operating mode

Điều khó khăn để làm chủ là việc quản lý thời gian mở và đóng vòng lặp. Đầu tiên, các kênh nạp vào vòng lặp cho đến khi nhận được điểm vận hành ổn định, sau đó vòng sẽ được đóng lại. Tại điểm thu, ta phải đo tín hiệu tại thời điểm tương ứng với số lượng vòng mong muốn.

D. Bayart

312

119


Channel spectrum after 2,100km transmission

Wavelength (nm)

Pow

er (1

0dB

/div

)

1545 1585 160515651525

Resolution 0.05nm

C-Band L-Band

All 40-Gbit/s channels successfully transmitted with high Signal-to-Noise ratio

Ta cũng có thể thiết lập phổ của các kênh truyền sau khi truyền trên vài nghìn km chiều dài.

120


High capacity transmission results at 40 Gbit/s

Cap

acity

x d

ista

nce

(Pbi

t/s.k

m)

0.01

0.1

1

10

100

04/97 09/98 01/00 06/01 10/02 02/04

6 Tbit/s over 6120 km

OFC’04 Lucent & OFS NTTSiemensOthersAlcatel R&I

Tyco

ALCATEL TECHNOLOGY IS LEADING THE RACE !

Một thí nghiệm theo vòng lặp với 150 kênh 40 Gbit/s (6Tbit/s) cũng đã được thực hiện gần đây trên 6120 km và được trình bày tại hội nghị quốc tế về truyền thông bằng sợi cáp quang. Kết quả này đạt được kỷ lục hiện nay về tích số giữa dung lượng và khoảng cách, đã không chỉ chỉ ra khả năng phát các dung lượng cao, mà còn chỉ ra khả năng truyền trên các khoảng cách vượt đại dương.

121


All-optical in-line regeneration:• Soliton propagation + Periodic ‘simple’ intensity modulation• ---> Noise and distortion suppression• ---> Unlimited transmission distance

Study of different configurations and modulator structures & technologies

Submarine transmission : Optical regeneration

Only narrow bandwidth modulation (at clock frequency)

Regenerator

modulator

filter

DM propagation(reduced channel spacing)

DM propagation(reduced channel spacing)

Conversion to NLS-Soliton(restoration of reg. efficiency)

Conversion Fiber

Để có thể bao trùm được các khoảng cách dài như mong muốn mà không phải sử dụng các thiết bị phục hồi điện tốn kém, khả năng phục hồi về biên độ và tạp âm của các kênh, đồng bộ hóa lại, và đưa trở lại dạng đã được nghiên cứu. Có rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, trong đó Alcatel thuộc loại hàng đầu, nhưng chưa có nghiên cứu nào đạt tới việc sử dụng một thiết bị duy nhất cho toàn bộ các kênh, và vậy là để chỉ ra độ chênh lệch đáng kể về giá thành đối với các thiết bị điện hiện có.

D. Bayart

313

122


5

6

7

8

9

0 5000 10000 15000 20000Distance (km)

Qa-

fact

or

BER=10-9

Q-fa

ctor 10Mm

eyes at40Gbit/sand10Gbit/s

single-electrodepush-pull

V1

V2Φin out

• Polarisation independent• Wavelength Insensitive (1545-1560nm)

• Independent control of IM/PM• Negligible WDM crosstalk

40 Gbit/s optical regeneration for submarine transmission: Semiconductor InP modulator

Một tín hiệu cũng đã được truyền trên vài nghìn km với bộ phục hồi quang tuần hoàn trên chiều dài đường truyền.

123


Usable spectrum of silica fibers

After ITU recommendation G.dsn

O : Original BandE : Extended BandS : Short BandC : Conventional BandL : Long BandU : Ultra-long Band

WDM Channels

Wavelength (µm)

O S C L wavelength

0.0

0.15

0.3

UE

1260nm1360nm 1625nm

1460nm1530nm

1565nm 1675nm

Atte

nuat

ion

(dB/

km)

Để có thể truyền thêm nhiều kênh nữa, có thể truyền trên các dải tần khác của sợi quang. I.T.U đã khuyến nghị cả về định nghĩa cũng như về danh pháp các băng của họ. Việc truyền trên các khoảng cách dài đã được thực hiện với các cửa sổ mới này thêm vào các cửa sổ của EDFA nhưng các tương tác Raman lại rất mạnh, trong khi cần phải tách một cách tuần hoàn các băng khác nhau để tạo ra một độ khuếch đại và bù trừ tán sắc đặc chủng, điều này làm tăng tính phức tạp. Cùng lúc đó, một số lượng lớn cáp được lắp đặt vào cuối thế kỷ XX (với một số lượng lớn các sợi trong mỗi cáp) cho phép ưu tiên việc ghép kênh không gian trong lòng các sợi khác nhau của nó hơn là ghép phổ trên nhiều cửa sổ phổ, trong đó việc giảm bớt chiều dài đơn vị của sợi lại lớn hơn. Trái lại, trong các mạng truy nhập (ứng dụng Coarse-WDM) mà không có giới hạn vật lý liên quan đến việc truyền khi mà các khoảng cách đều ngắn (thậm chí làm cho khuếch đại trong phần lớn thời gian đều là vô nghĩa), có thể có lợi khi sử dụng các băng này để làm giảm bớt dung sai (tolérences) theo chiều dài trên các kênh truyền quang học và cũng làm giảm giá thành.

D. Bayart

314

124


Conclusion

Wavelength Division Multiplexing for high bit-rate transmission

Optimisation of high bit-rate transmission systems:A combination of solutions and technologies

Dispersion management, modulation format, low-noise amplification schemes, regeneration, error correction, …

Adapted to the submarine or terrestrial configuration

Great importance of cross-related analytical, numerical & exp. tools

Still room for progress (capacity and/or margin)

Kết luận lại, ta có thể xây dựng các hệ thống truyền thông dung lượng cao trên các khoảng cách lớn của sợi và với giá thành chấp nhận được cho các mạng đường trục, các mạng này sẽ cung cấp cho tập hợp các thuê bao cuối cùng thông qua các mạng ngầm và mạng truy cập. Tất cả các điều này đều khả thi bởi một sự điều hành thích hợp các phương tiện khuếch đại, biểu đồ tán sắc, và các dạng biến điệu.

125


Bibliography

« Erbium-doped fiber amplifier, Principles and Applications », Emmanuel Desurvire, Wiley (1994), New-York

« Erbium-doped fiber amplifier, Device and System Developments », Emmanuel Desurvire, Dominique Bayart, Bertrand Desthieux, Sébastien Bigo, Wiley (2002), New-York

« Undersea Fiber Communication Systems », José Chesnoy Ed., Elsevier, San Diego (2002)

Để tìm hiểu sâu hơn về các khái niệm này, có rất nhiều tài liệu đã xuất bản, nhưng tôi không thể không khuyên các bạn xem hai tài liệu sau đây, mới xuất bản và trong đó giới thiệu toàn bộ các kỹ thuật được sử dụng một phần cho các hệ thống trên mặt đất và phần khác cho các hệ thống dưới biển: « Erbium-doped fiber amplifier, Device and System Developments », Emmanuel Desurvire, Dominique Bayart, Bertrand Desthieux, Sébastien Bigo, Wiley (2002), New-York « Undersea Fiber Communication Systems », José Chesnoy Ed., Elsevier, San Diego (2002)

Hệ thống truyền thông quang học

Documents

Transcript of Hệ thống truyền thông quang học