công nghệ truyền dẫn quang và kỹ thuật định tuyến trong truyền dẫn quang

- Sợi thuỷ tinh là sợi ñiện môi nên hoàn toàn cách ñiện, không sợ bị chập mạch - Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của ñiện từ trường ngoài, nên có thể sử dụng sợi cho c

MỞ ðẦU

Trọng tâm của luận văn là tập trung nghiên cứu công nghệ truyền dẫn quang và

kỹ thuật ñịnh tuyến trong truyền dẫn quang, cụ thể là kỹ thuật lưu lượng trong mạng quang sử dụng công nghệ MPLS

Hiện nay, với những ưu ñiểm vượt trội của mình, các hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng thông hẹp và băng thông rộng, ñáp ứng yêu cầu của mạng số tích hợp dịch vụ ISDN Hệ thống thông tin quang là một mũi ñột phá về tốc ñộ truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao Vấn ñề ñịnh tuyến và quản lý lưu lượng là một thành phần cốt yếu, không thể thiếu ñược trong cấu trúc mạng, thiết kế mạng và ñiều hành mạng Vấn ñề ñặt ra là ñịnh tuyến ñường ñi cho ánh sáng như thế nào ñể ñạt ñược một mạng tối ưu Có rất nhiều phương pháp ñịnh tuyến, nhưng phương pháp ñịnh tuyến sử dụng kỹ thuật lưu lượng là một phương pháp rất hiệu quả trong truyền dẫn dữ liệu trong mạng, nó ñiều khiển cách thức các luồng lưu lượng ñi qua mạng sao cho tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và hiệu năng của mạng, từ ñó làm tăng tính hiệu quả của mạng

Trong luận văn này, em xin trình bày ñề tài: “Công nghệ truyền dẫn quang và

kỹ thuật ñịnh tuyến trong truyền dẫn quang” Nội dung của luận văn cụ thể như sau:

- Chương 1: Giới thiệu công nghệ truyền dẫn quang

- Chương 2: Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) và kỹ thuật ñịnh tuyến

- Chương 3: Chuyển mạch nhãn ña giao thức MPLS

- Chương 4: Kỹ thuật lưu lượng MPLS-TE

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS Nguyễn Viết Nguyên, ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện cho em hoàn thành tốt ñề tài này

Hà Nội, tháng11 năm 2011 Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Ánh

OPENING

This thesis is focused on optical transmission technologies and routing problem

in optical transmission, particularly traffic engineering in optical networks using MPLS technology

Now, with its outstanding features, the optical information systems transmit all narrow signal bandwidth and broadband services, meeting the requirements of integrated services digital network ISDN Optical information system is a breakthrough nose in transmission speed and flexible configuration for advanced telecommunications services Routing problems and traffic management is a key component, is indispensable in network architecture, network design and network operators At issue is the route for light as to how to achieve an optimal network There are many methods of routing, but routing method using traffic engineering is a very effective method of data transmission network, it controls how the flow of traffic traversing the network so that optimal the use of resources and performance of the network, thereby increasing the efficiency of the network

In this thesis, I would like to present the topic: “Optical transmission technology and routing in optical transmission technology” with the following content:

- Chapter 1: The introduction of optical transmission technology

- Chapter 2: The optical wavelength-multiplexing (WDM) technology and routing technology

- Chapter 3: Multi-protocol Label Switching MPLS

- Chapter 4: The MPLS TE traffic engineering technology

I would like to sincerely thank Mister Nguyen Viet Nguyen – my teacher with his help and facilitating me in completing this thesis

Hanoi, October 2011 Student

Nguyen Ngoc Anh

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN QUANG

1.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1.1 Khái quát chung

Vào những năm 80 của thế kỷ trước, khi mà các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức ñưa vào khai thác trên viễn thông ñã cho chúng ta thấy rằng phương thức truyền dẫn quang ñã thể hiện khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện ñại Sau những năm 90, cùng với sự phát triển vượt bậc của công cụ thu phát quang, ñể từ ñó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu ñiểm vượt trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại Quá trình phát triển của thông tin quang tương ñối lâu dài, và nó có thể ñược thâu tóm trong các mốc thời gian như sau:

- Năm 1790 CLAUDE CHAPPE kỹ sư người Pháp xây dựng hệ thống ñiện báo quang (optical telegraph) Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp có các ñèn báo hiệu chạy trên ñó Với hệ thống này thì trong vòng 15 phút thông tin ñi ñược 200km

- Năm 1870 JONH TYNDALL nhà vật lý người anh ñã chứng tỏ rằng, ánh sáng

có thể dẫn theo vòi nước uốn cong Thí dụ của ông ñã sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần, và ngày nay người ta cũng sử dụng nguyên lý này ñể truyền ánh sáng bên trong sợi quang

- Năm 1880 ALEXANDER GRAHAM BELL Người Mỹ giới thiệu hệ thống photophone qua ñó tiếng nói có thể truyền ñi bằng ánh sáng

- Năm 1934 NORMAN R FRENCH Kỹ sư người Mỹ nhận ñược bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn chính của ông là các thanh thủy tinh

- Năm 1958 ñến năm 1960 Laser ñược nghiên cứu và ñưa vào phát triển thành công

- Năm 1962 Photodiode ñược thừa nhận, vấn ñề còn lại phải tìm môi trường truyền dẫn quang phù hợp

- Năm 1966 CHARLES H KAO và GEORGE A HOCKHAM, hai kỹ sư phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh ñề xuất việc dùng thủy tinh

ñể truyền dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời ñó còn hạn chế nên suy hao của sợi quá lớn (α ~ 1000 dB/Km)

- Năm 1970 Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 633nm

- Năm 1972 Sợi GI ñược chế tạo với ñộ suy hao 4dB/km

- Năm 1983 Sợi ñơn mode ñược xuất xưởng tại Mỹ

Công nghệ quang sợi và thông tin quang ñã có những bước tiến vượt bậc, các nhà sản xuất ñã chế tạo ra những sợi quang ñạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550nm cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong những thập niên cuối của thế kỷ trước Ngày nay giá trị suy hao

ñã gần ñạt tới mức tính toán trên lý thuyết cho các sợi quang ñơn mode là 0,14 dB/km Song song với nó là sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang

Các hệ thống thông tin quang ñược áp dụng rộng rãi trên mạng lưới thông tin Chúng có thể xây dựng làm các tuyến ñường trục trung kế, liên kết tỉnh, thuê bao kéo dài, truy nhập cao và ñáp ứng mọi môi trường lắp ñặt trong nhà, trong các cấu hình xuyên lục ñịa, vượt ñại dương…Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới bất kỳ dạng ghép kênh nào

Hiện nay các hệ thống thông tin quang ñã ñược ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng ñáp ứng ñược cả tín hiệu tương tự (Analog) và số (Digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, ñáp ứng mọi nhu cầu của mạng số hoá liên kết ña dịch vụ (ISDN) Số lượng cáp quang hiện nay ñược lắp ñặt mọi nơi trên thế giới và ñang trở thành hệ thống truyền dẫn hiệu quả nhất, với ñủ mọi tốc ñộ truyền dẫn, với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng ña dạng Nhiều nước lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn chính cho mạng viễn thông Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi ñột phá về tốc ñộ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao

1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho việc truyền tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang ñều ñi theo hướng này Theo quan niệm thống nhất ñó, thì cấu trúc của tuyến thông tin gồm các thành phần chính sau: Phần phát quang, Cáp sợi quang và Phần thu quang

Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch ñiện ñiều chế Cáp sợi quang bao gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh ñể bảo

vệ khỏi tác ñộng có hại từ môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và mạch khuyếch ñại tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu trên, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (Connector), các mối hàn, các

bộ nối quang, chia quang và trạm lặp Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Hỡnh 1.1: Cỏc thành phần chớnh của tuyến truyền dẫn cỏp sợi quang

1.1.3 Sơ ủồ tổng quỏt của hệ thống thụng tin quang

Hỡnh 1.2: Tổng quỏt hệ thống thụng tin ủiện (a) và quang (b)

- Nguồn tớn hiệu thụng tin là như nhau, ủều là cỏc dạng thụng tin thụng thường hiện nay như tiếng núi, hỡnh ảnh, số liệu, văn bản…

Kờnh truyền dẫn

Giải ủiều chế

Phần ủiện tử

Tớn hiệu thu

Sợi quang

SQ

Biến ủổi ủiện quang O/E

Phần ủiện tử

Tớn hiệu thu

Nguồn phát quang

Mạch ủiều khiển

Trạm lặp

Bộ tách hoặc ghép quang

Tín hiệu

điện vào

Bộ phỏt quang

Bộ nối quang

Bộ chia quang

Sợi quang

Khuyếch đại quang

Bộ thu quang

Khụi phục tớn hiệu

Tỏch súng quang

Tín hiệu

điện ra

- Phần ñiện tử: Là phần tử chung của hai hệ thống, ñể xử lý nguồn tin, tạo ra các tín hiệu ñiện ñưa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital (ñiểm A)

- Bộ biến ñổi quang ñiện (E/O) ñể thực hiện ñiều biến tín hiệu ñiện vào cường

ñộ bức xạ quang ñể cho phát ñi Cũng giống như trong thông tin ñiện với nhiều phương thức ñiều biến khác nhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phương pháp ñiều biến tín hiệu ñiện vào bức xạ quang Các hệ thống hiện nay ñang làm việc theo nguyên lý ñiều biến trực tiếp cường ñộ ánh sáng, còn các hệ thống coherence trong tương lai thì áp dụng nguyên lý ñiều biến gián tiếp bằng cách ñiều pha hoặc ñiều tần các tia bức xạ coherence là các bức xạ kết hợp Tín hiệu ra (ñiểm c) phải là tín hiệu quang, khác với tín hiệu ra tại C, các tín hiệu cao tần ñược ñiều biến biên ñộ hoặc pha hoặc tần số

- Sợi quang SQ ñể truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) ñã ñiều biến, vai trò như kênh truyền dẫn

- Bộ biến ñổi quang ñiện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang ñưa vào biến ñổi ngược lại thành tín hiệu ñiện như tín hiệu phát ñi Tín hiệu vào của hai bộ này (ñiểm D) khác dạng nhau (ñiện hoặc quang) nhưng tín hiệu ra của chúng (ñiểm B) là tín hiệu ñiện giống nhau ñể ñưa vào phần ñiện tử, tách ra tín hiệu thu giống tín hiệu phát ñi ở nguồn tin ban ñầu

- Tải tin: Trong hệ thống ñiện thì tải tin là các sóng ñiện từ cao tần, trong hệ thống quang thì ánh sáng cũng là sóng ñiện từ nhưng có tần số rất cao (10 14÷ 10 15) do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất rộng

- Vấn ñề chuyển tiếp tín hiệu: Tín hiệu truyền ñưa trên ñường truyền bị tiêu hao, nên sau một khoảng cách nhất ñịnh phải có trạm lặp khuyếch ñại hoặc tái sinh tín hiệu quang, nên tại các trạm khuyếch ñại (tín hiệu analog) hoặc tái sinh tín hiệu (tín hiệu digital) Hiện nay tại các trạm khuyếch ñại trung gian hoặc các trạm lặp thực hiện ba bước:

+ Chuyển ñổi tín hiệu quang sang tín hiệu ñiện

+ Sửa ñổi dạng tín hiệu ñã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu dưới dạng ñiện

+ Chuyển ñổi tín hiệu ñiện ñã ñược khuyếch ñại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang ñể tiếp tục phát ñi

- Năng lực truyền dẫn: Năng lực truyền dẫn của hệ thống ñược ñánh giá qua hai ñại lượng:

+ ðộ rộng băng tần có thể truyền dẫn ñược

+ Cự ly trạm lặp hoặc ñộ dài ñoạn chuyển tiếp

Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và cự ly trạm lặp rất lớn Thực tế các hệ thống quang hiện nay ñã vượt qua các hệ thống truyền dẫn ñiện ở cả hai yêu cầu trên Các ñại lượng trên ñược xác ñịnh bởi nhiều yếu tố liên quan ñến nhau như sau:

+ Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang

+ Công suất bức xạ và khả năng ñiều biến của linh kiện phát quang

+ ðộ nhạy của máy thu quang

+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử trên toàn tuyến

1.1.4 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của hệ thống thông tin quang

- Sợi quang ñược chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trường trung tính với ảnh hưởng của nước, axít, kiềm… nên không sợ bị ăn mòn, ngay cả khi lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có bị hư hỏng nhưng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo ñảm truyền tin tốt

- Sợi thuỷ tinh là sợi ñiện môi nên hoàn toàn cách ñiện, không sợ bị chập mạch

- Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của ñiện từ trường ngoài, nên có thể sử dụng sợi cho các hệ thống thông tin ở những nơi có nhiễu ñiện từ mạnh như trong các nhà máy sản xuất, nhà máy ñiện… mà không cần che chắn ảnh hưởng của ñiện từ

- Cũng vì nhẹ và không bị ảnh hưởng của ñiện từ nên sợi quang cũng ñược sử dụng nhiều trong máy bay, tàu thuỷ, hoặc trong khu công nghiệp ñể truyền số liệu

- Không gây nhiễu ra bên ngoài và cũng không gây xuyên âm giữa các sợi quang, ñảm bảo không bị nghe trộm

- Vì sợi quang là sợi ñiện môi nên ñầu vào và ñầu ra của hệ thống hoàn toàn cách ñiện và không có mạch vòng chảy qua ñất

- Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số tín hiệu và tiêu hao nhỏ trong dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền tốc ñộ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng mạng Trong tương lai làm cáp thuê bao cho các dịch vụ dải rộng cũng rất phù hợp

- Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép ñạt cự ly khoảng lặp lớn hơn của cáp kim loại rất nhiều

1.1.4.2 Nhược ñiểm:

- Do lưu lượng thông tin ñòi hỏi ngày càng lớn, dung lượng tuyến ngày càng ñược nâng cao và ñến lúc ñạt quá khả năng của thiết bị truyền dẫn nhất là các tuyến cáp quang, trục cáp quang có dung lượng tuyến tăng rất nhanh ðể nâng cao khả năng của một tuyến thông tin thì các nhà ñiều hành mạng phải lựa chọn:

+ Xây dựng thêm tuyến truyền dẫn quang

+ Nâng cấp ñường truyền bằng phương pháp ghép kênh theo thời gian, ghép kênh theo bước sóng

- Hệ thống thông tin quang yêu cầu công nghệ chế tạo các linh kiện rất tinh vi

và ñòi hỏi ñộ chính xác tuyệt ñối, ñặc biệt là việc hàn nối sợi quang rất phức tạp

- Việc cấp nguồn ñiện cho trạm trung gian là khó vì không lợi dụng luôn ñược ñường truyền như ở trong các hệ thống thông tin ñiện (ví dụ như cấp nguồn ñiện cho trạm lọc ở giữa biển)

1.2 THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Chất ñiện môi chủ yếu ñể chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh thạch anh hoặc chất dẻo tổng hợp Sợi quang thủy tinh thạch anh có tiêu hao thấp và ñường

kính nhỏ nên giá thành cao, còn sợi quang làm bằng chất dẻo có ñường kính lớn hơn

và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp

Chiết suất của lõi sợi quang là n1 lớn hơn chiết suất của vỏ sợi quang n2 Lớp clading là thủy tinh hay plastic, có nhiệm vụ bảo vệ cho ánh sáng truyền lại lõi Lớp

vỏ bọc và bảo vệ bên ngoài là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không

bị bụi ẩm và trầy xước Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có ba lớp chính là vỏ bảo vệ bên ngoài, lớp áo giáp và lớp chịu lực

1.2.1.2 Phân loại sợi quang:

- Phân loại theo vật liệu ñiện môi:

+ Sợi quang thạch anh

+ Sợi quang thuỷ tinh hỗn hợp

+ Sợi quang làm bằng chất dẻo

- Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (step index), sợi quang chiết suất biến ñổi GI (Gradex index)

- Phân loại theo mode truyền dẫn:

+ Sợi quang ñơn mode

+ Sợi quang ña mode

- Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ:

+ Sợi quang chiết xuất phân bậc

+ Sợi quang chiết xuất biến ñổi ñều

1.2.1.3 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Việc truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạ trong lõi sợi và phản xạ toàn phần ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi quang

Hình 1.4: Truyền ánh sáng trong sợi quang

ðiều kiện ñể xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là:

+ n1 > n2

+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn

Do ñặc ñiểm cấu tạo của sợi quang ñã có ñiều kiện là n1 > n2 Vậy chỉ còn ñiều kiện là góc tới αt phải lớn hơn góc tới hạn αth (αt >αth) Nên người ta ñưa ra khái niệm gọi là khẩu ñộ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép luồng bức

xạ quang vào sợi

Ta có: n0Sinαth = n1.Sinβ (n0=1: chiết suất của không khí)

⇒ 1.Sinαth = n1.Sinβ = n1Cosαt

(Do Sinβ=Sin(900-αt)=Cosαt)

∆

=

−

=α

⇒

−

=α

−

=

α

2.nnnSin

NA

nnn

n1.nSin

n

n1Sin

1Cos

1 2 1 2 2 th

2 1 2 2 2

1

2 2 1

th

2 1

2 2 t

2 t

1

2 2 2 1 n 2

n

n −

=

∆ gọi là ñộ lệch chiết xuất tương ñối

Vậy ñiều kiện ñể ñạt ñược hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi ñưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở

∆

=

1.2.1.4 Các ñặc tính của sợi quang

1.2.1.4.1 Suy hao của sợi quang

a ðịnh nghĩa

Khi truyền ánh sáng trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần theo cự ly với quy luật của hàm số mũ nên ánh sáng bị suy hao Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

P(L)=P(0).10-α.1/10Trong ñó: P(L) là công suất ở cự ly L tính từ ñầu sợi

P(0) là công suất ở ñầu sợi (L)

α: Hệ số suy hao

Hình 1.5: Công suất truyền trên sợi quang

ðộ suy hao của sợi quang tính bởi:

1

2

log 10 ) (

P

P dB

P L

Km

1

2log.10

1)/(

λ

b Suy hao do hấp thụ

Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng Mức ñộ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng ñộ tạp chất và các bước sóng ánh áng truyền qua nó

Sự hấp thụ của các ion OH, ñộ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1240nm và 1400nm

Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và hồng ngoại Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang

c Suy hao do tán xạ

Suy hao do tán xạ hay còn gọi là tiêu hao tán xạ Reyleigh, là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi gặp phải các vật nhỏ hoặc những chỗ không ñồng nhất có kích thước không quá lớn so với bước sóng ánh sáng Những chỗ không ñồng nhất còn xót lại trong giai ñoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn

L

L

ðộ lớn của tán xạ Reyleigh tỷ lệ nghịch với mũ 4 bước sóng ánh sáng:

4 0

0 )( ) (

) (

λ

λλαλ

Hình 1.6: Suy hao do tán xạ Reyleigh

Có thể nói bước sóng ánh sáng càng dài thì suy hao do tán xạ Reyleigh càng ít

d Suy hao do sợi bị uốn cong

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên.Tại những chỗ bị uốn cong thì ñiều kiện phản xạ toàn phần không thực hiện ñược, sự phân bố trường sẽ bị sáo trộn và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi

d Suy hao do kết nối

Suy hao do kết nối bao gồm suy hao do hàn nối sợi và suy hao do ñầu nối dùng conector

Sử sụng các Conector sẽ tạo ñiều kiện thuận tiện cho việc kiểm tra và bảo dưỡng, vì vậy các Conector thường ñược dùng ñể ghép nối sợi quang với thiết bị ñầu cuối ñường truyền hoặc các trạm lặp Chúng gây suy hao αconnector ≈ 0,4 dB/1 Connector

Nếu cự ly thông tin lớn hơn ñộ dài cuộn cáp thì phải hàn nối Mỗi mối hàn gây tổn hao cỡ 0,1 dB/1 mối hàn

1.2.1.4.2 ðặc tuyến suy hao

Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng, người ta nhận ñược phổ của sợi Mỗi loại sợi có ñặc tuyến suy hao riêng

Hình 1.7: ðặc tuyến suy hao (phổ suy hao) của sợi quang Theo phổ tổn hao này có 3 vùng cửa sổ bước sóng mà tại ñó suy hao của sợi quang là cực tiểu

- Vùng cửa sổ 0,8µm: Suy hao trung bình ở mức từ 2÷3 dB/Km, Tổn hao như vậy vẫn còn là lớn nên hiện nay không còn ñược sử dụng

- Vùng cửa sổ 1,3µm: Tại vùng này có tổn hao thấp (αmin ≈ 0,35 dB/Km) Với sợi quang ñơn mode gần như không có tán xạ nên ñược dùng ñể truyền thông tin dung lượng cực lớn ñi xa hàng chục Km mà không cần bộ lặp

- Vùng cửa sổ 1,55µm: Tại vùng này có tổn hao cực thấp (αmin ≈ 0,16 dB/Km) nên có thể truyền tín hiệu ñi rất xa

1.2.1.4.3 Tán sắc

Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở ñầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận ñè lên nhau Khi ñó không phân biệt ñược các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu ở ñầu thu Hiện tượng giãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc ðối với tín hiệu Analog thì ảnh hưởng của tán sắc làm biên ñộ tín hiệu ở ñầu thu giảm nhỏ và tín hiệu bị dịch pha

a Nguyên nhân gây ra tán sắc

* Tán sắc mode

Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi ña mode Trong sợi quang ña mode tốc ñộ lan truyền của các mode là khác nhau, dẫn ñến làm giãn xung ánh sáng và co hẹp khoảng trống thời gian giữa các xung cạnh nhau ðây là nguyên nhân chủ yếu gây ra giãn xung ánh sáng trong sợi ña mode

Giả sử xung ánh sáng có ñộ rộng phổ ∆λ, ñược truyền qua khoảng cách L thì ñộ lệch thời gian ∆τ ñược xác ñịnh theo công thức:

∆τ = D(λ) ∆λ.L D(λ) là hệ số tán sắc và có thể biểu diễn dưới dạng:

) (

λ

λλο

d

n d

c → τmax = M(λ).L ∆λ W(λ) gọi là tán xạ dẫn sóng (là hiện tượng chung trong truyền sóng ống dẫn sóng ñiện môi mà sợi quang chỉ là trường hợp ñặc biệt) Tán xạ dẫn sóng ñược xác ñịnh:

W(λ) =

V c

n n

n g

.

984 , 1 ).

.( 1 22

λο

−

→ τwg = W(λ).L ∆λ Bằng ñồ thị tán sắc người ta nhận thấy tại bước sóng λ = 1,3µm thì tán sắc vật liệu và tán sắc sóng bù trừ nhau Tại bước sóng này trong sợi quang ñơn mode gần như không có tán sắc và băng tần truyền dẫn của sợi quang ñơn mode là cực lớn Do

ñó người ta hay sử dụng bước sóng 1,3µm ñể thực hiện tuyến thông tin quang

b ðộ tán sắc của một vài loại sợi ñặc biệt

- Sợi dịch tán: Vì ñộ suy hao ở bước sóng 1550nm chỉ bằng một nửa so với suy hao ở bước sóng 1300nm nên ở tuyến cáp quang ñường dài hay sử dụng bước sóng này, nhưng ñộ tán sắc ở bước sóng 1550nm lại lớn ðể khắc phục nhược ñiểm này, người ta làm theo hai cách:

+ Giảm ñộ rộng phổ của nguồn quang ñể giảm tán sắc vật liệu

+ Dịch ñiểm có tán sắc bằng không ñến bước sóng 1550nm

ðể có sợi dịch tán sắc thì tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng triệt tiêu nhau

ở bước sóng 1550nm

Hình 1.9: Tán sắc thể của các loại sợi

(1): Sợi bình thường (2): Sợi dịch tán

(3): Sợi san bằng tán sắc

- Sợi san bằng tán sắc: Dung lượng của sợi quang có thể ñược nới rộng bằng cách ghép hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang (WDM) Cần một sợi quang có ñộ tán sắc nhỏ trong khoảng một bước sóng Sợi như vậy gọi là sợi san bằng tán sắc và sự biến thiên tán sắc theo bước sóng như Hình 1.9

1.2.1.4.4 Quan hệ giữa tán xạ và ñộ rộng băng truyền

Giả sử xung ñiện kích thích là một xung Dirac, xung ñáp ứng có dạng phân bố Gauss:

π

1 exp( 2

2

2τ

t

−)

Với ñộ rộng xung là τs Tại ñầu thu xung nhận ñược có ñộ rộng τR > τS

ðộ giãn xung giữa xung phát và xung thu do tán sắc có thể ñược xác ñịnh theo công thức:

2 2

S

τ

τ = −

Nếu xung phát ra rất hẹp (τS << τR) thì có thể coi gần ñúng τ ≈ τR

Nếu ñiều chế với tín hiệu hình sin với tần số ω thì sợi quang ñược coi gần ñúng như một bộ lọc thông thấp với hàm truyền ñạt biên ñộ Gauss:

|H(f)| = exp{

2

2 2

τω

−

}

ðộ rộng băng tần truyền dẫn chỉ tần số ñiều chế tín hiệu quang cao nhất có thể ñạt ñược Nó ñược ñịnh nghĩa là tần số tín hiệu ñiện ωelect mà tại ñó công suất quang xoay chiều giảm 3dB (Biên ñộ giảm dần) so với công suất quang một chiều, khi ñó tần số tín hiệu ñiện ñược tính như sau:

σ

=

elect

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa tần số tín hiệu với hàm truyền ñạt

ðộ rộng băng truyền trên một Km sợi:

τ

132 , 0(Hz.Km) Với τ là tán xạ tổng cộng trên 1 Km sợi quang, ñược xác ñịnh theo công thức:

2 Wg max

1.2.1.5 Giới thiệu một số loại sợi quang ñang sử dụng phổ biến

Các tuyến thông tin trên thế giới hiện nay phổ biến dùng loại cáp quang ñơn mode theo khuyến nghị G.652 của ITU-T Sau ñây là các thông số về suy hao và tán sắc của loại sợi này:

Bước sóng

(nm)

Hệ số suy hao (dB/Km)

Hệ số tán sắc (ps/nm.Km)

Tuy nhiên khi áp dụng trong hệ thống WDM có một số nhược ñiểm sau:

+ Cửa sổ vùng 1310nm bé, không ghép ñược nhiều bước sóng

5 4 3 2 1

6 ps/nm.Km

1600 1580

1560 1540

1520 1500

Hình 1.11: Hệ số tán sắc của cáp quang G.653

Bước sóng (nm)

1.2.2 Phần phát quang

Trong thông tin quang, một bộ phát bao gồm nguồn quang và mạch ñiều chế Nguồn quang tạo ra sóng mang quang và mạch ñiều chế có nhiệm vụ ñiều chế sóng mang ñó theo tín hiệu cần truyền

Nguồn quang dùng trong thông tin quang thường là các Diode bức xạ ánh sáng LED và Diode laser LD, yêu cầu có ñộ rộng phổ hẹp (Càng hẹp càng tốt) ñể tránh xuyên âm, có thể ñiều chỉnh ñược bước sóng quang phát ra

Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và Diode laser dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa ñiện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn ñược ñặt dưới ñiện áp thuận Vùng tiếp giáp P-N này ñược gọi là vùng hoạt tính của LED và LD

1.2.2.1 Yêu cầu ñối với một nguồn quang trong hệ thống thông tin quang

- Có kích thước nhỏ tương ứng với sợi quang ñể có thể ghép ánh sáng vào trong sợi quang Ánh sáng ở ngõ ra của nguồn quang phải có tính ñịnh hướng cao Thu nhận tín hiệu ñiện ngõ vào một cách chính xác ñể giảm sự méo dạng và nhiễu lên tín hiệu

- Nguồn phát quang phải phát ra ánh sáng có bước sóng phù hợp với vùng bước sóng mà sợi quang có suy hao thấp và tán sắc, ñồng thời linh kiện thu quang hoạt ñộng hiệu quả tại các bước sóng này

- Có khả năng ñiều chế tín hiệu một cách ñơn giản trên dải tần rộng trải dài từ tần số âm thanh tới dải tần Gigahezt

- Hiệu suất ghép quang tốt ñể giảm suy hao ghép từ nguồn quang vào trong sợi quang

- ðộ rộng phổ tần hẹp ñể giảm tán sắc trong sợi quang

- Duy trì mức công suất ngõ ra ổn ñịnh và không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài

- Giá thành thấp và có ñộ tin cậy cao, ñể cạnh tranh với các kỹ thuật truyền dẫn khác

1.2.2.2 Diode phát quang LED

Hiện nay, người ta sử dụng chủ yếu hai loại LED trong các hệ thống thông tin cáp sợi quang là SLED phát xạ mặt (Surface Light Emitting Diode) và ELED phát xạ cạnh (Edge Light Emitting Diode) Cả hai loại này ñều dùng cấu trúc dị thể kép ñể giam hạt ña số và ánh sáng vào một lớp hoạt tính

Loại LED Tần số ñiều chế lớn nhất

(MHZ)

Công suất ra (mW)

Công suất phối ghép với sợi quang (mW)

Bảng 1.2: So sánh ELED và SLED

Từ bảng trên ta thấy ELED ưu việt hơn loại phát xạ mặt về hiệu suất phối ghép

và tần số ñiều chế Vì vậy, LED phát xạ mặt chỉ ñược sử dụng trong tuyến thông tin

có cự li ngắn và có tốc ñộ thấp Ngược lại ELED thường ñược sử dụng ở cự li trung bình Ánh sáng bức xạ của LED trải ra trong một vùng phổ rộng hơn rất nhiều so với laser, do vậy chúng chỉ có thể phối ghép ánh sáng có hiệu quả và sợi ña mode có khẩu ñiều chế số lớn

1.2.2.3 Diode laser

- Diode laser ñược sử dụng trong các tuyến cự li dài tốc ñộ cao (các tuyến này dùng sợi quang ñơn mode) Yêu cầu ñặt ra ñối với diode laser trong thông tin quang

là giảm thiểu ñộ rộng vạch phổ và hoạt ñộng chế ñộ ñơn mode và yêu cầu quan trọng

là tăng hiệu suất thì cần phải giảm dòng ñiện ngưỡng

- Ánh sáng laser ñược tạo ra bằng bức xạ kích thích Bức xạ kích thích xảy ra khi một photon sơ cấp (hv)1 va ñập vào một nguyên tử ñã ñược kích thích và thay vì hấp thu photon này lại kích thích cho một ñiện tử dịch chuyển xuống qua dải cấm và sinh ra một photon mới gọi là photon thứ cấp (hv)2 Photon mới ñược tạo ra giống hệt photon ban ñầu Các photon này tiếp tục va chạm với các nguyên tử ở trạng thái kích thích khác trong mạng tinh thể và lại sinh ra nhiều photon hơn nữa khi chúng va chạm Như vậy, mạng tinh thể bán dẫn ñã khuếch ñại những photon ban ñầu tức những photon sơ cấp

ðể bức xạ kích thích có thể xảy ra, trong dải dẫn phải có một số lượng lớn các ñiện tử và trong dải hoá trị cũng phải có một lượng lỗ trống như vậy Trạng thái gần

ổn ñịnh này ñược gọi là trạng thái ñảo ñồng bộ Trong diode laser nó là kết quả của

sự phun một lượng lớn hạt ña số vào vùng hoạt tính có nồng ñộ pha tạp lớn Nếu trạng thái ñảo nồng ñộ xuất hiện với tác dụng giam ánh sáng của 2 lớp dị thể sẽ sinh

ra một bức xạ kích thích Tuy nhiên, ñể ñảm bảo ñộ khuếch ñại và ñiều kiện tự kích cho máy phát laser cần ñặt môi trường bán dẫn vào trong buồng cộng hưởng quang học (là một hệ gồm 2 mặt phản xạ ñối diện nhau, giữa 2 mặt này là hoạt chất)

1.2.3 Khuếch ñại quang

1.2.3.1 Giới thiệu khuếch ñại quang

Trên ñường truyền tín hiệu quang có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự suy hao

về công suất, nguyên nhân gây tổn hao từ các bộ ghép nguồn vào sợi quang, tại các mối hàn sợi quang và từ cáp quang vào bộ thu, ñặc biệt là suy hao quang do vật liệu chế tạo sợi quang Vì các lý do ñó mà ở các tuyến truyền dẫn có khoảng cách lớn, người ta mắc thêm vào hệ thống các trạm lặp, thường là các trạm lặp quang ñiện (Optoelectronic repeater) Tại các trạm lặp quang ñiện, tín hiệu quang sẽ ñược biến ñổi thành dòng ñiện bởi các thiết bị thu quang (Optical receiver) Dòng quang ñiện ñược tái tạo lại dạng xung, ñồng thời ñược khuếch ñại bởi các mạch phục hồi tín hiệu

và các mạch khuếch ñại Sau ñó tín hiệu ñiện lại ñược tái tạo và biến ñổi thành tín hiệu quang thông qua các nguồn quang ñiện trong thiết bị phát quang (Optical Transmistter) và ñược truyền ñi trong sợi quang Như vậy quá trình khuếch ñại ñược thực hiện trên miền ñiện

Pout

Pin

Output Input

Hình 1.13: Cấu trúc của một trạm lặp quang ñiện

Các trạm lặp quang ñiện ñã ñược phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn quang một bước sóng như trong hệ thống SDH Tuy nhiên, khi khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang ña bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang ñiện cần ñược sử dụng ñể khuếch ñại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau ðiều này làm tăng ñộ phức tạp cũng như giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM

ðể khắc phục nhược ñiểm trên của các trạm lặp quang ñiện, ñó là sử dụng các

bộ khuếch ñại quang (Optical Amplifier) Trong các bộ khuếch ñại quang này ánh sáng ñược khuếch ñại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến ñổi sang miền ñiện So với các trạm lặp, các bộ khuếch ñại quang có ưu ñiểm sau:

+ Khuếch ñại trực tiếp tín hiệu quang, không có mạch tái tạo thời gian hay mạch phục hồi (bộ biến ñổi O-E hoặc E-O) Do vậy khuếch ñại quang sẽ trở nên linh hoạt hơn

+ Không phụ thuộc vào tốc ñộ bít và phương thức ñiều chế tín hiệu nên việc nâng cấp hệ thống sẽ ñơn giản hơn

+ Khuếch ñại nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang

1.2.3.2 Nguyên lý khuếch ñại quang

Nguyên lý khuếch ñại quang trong các bộ khuếch ñại quang ñược thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch ñại

Hiện tượng phát xạ kích thích (simulated emission) là một trong ba hiện tượng biến ñổi quang ñược ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này ñược minh họa trên hình 1.14

(a) Hấp thụ

(Absorption)

(b) Phát xạ tự phát (Spontanceuos emisson)

(c) Phát xạ kích thích (Stimulated emission)

Hình 1.14: Các hiện tượng biến ñổi quang ñiện

Hiện tượng phát xạ do kích thích, hình 1.14c, xảy ra khi một ñiện tử ñang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon khác có năng lượng hf12bằng với ñộ chênh lệch năng lượng giữa 2 ñiện tử (Eg = E2 – E1) Khi ñó, ñiện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng với năng lượng của photon ban ñầu Như vậy từ một photon ban ñầu, sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai photon (photon ban ñầu và photon mới ñược tạo ra) có cùng phương truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng tần số Hay nói cách khác quá trình khuếch ñại ánh sáng ñược thực hiện

Hiện tượng phát xạ do kích thích ñược ứng dụng trong các bộ khuếch ñại quang bán dẫn (OSA) và khuếch ñại quang sợi (OFA) Nó cũng ñược ứng dụng trong việc chế tạo laser Tuy nhiên ñiểm khác biệt chính giữa laser với các bộ khuếch ñại quang

là trong bộ khuếch ñại quang không xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng, vì nếu xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch ñại quang sẽ tạo

ra các ánh sáng kết hợp của riêng nó cho dù không có tín hiệu quang ở ngõ vào Nguồn ánh sáng này ñược xem là nhiễu xảy ra trong các bộ khuếch ñại quang Do vậy, khuếch ñại quang có thể làm tăng công suất tín hiệu ánh sáng ñược ñưa ở ngõ vào bộ khuếch ñại nhưng không tạo ra tín hiệu quang kết hợp của riêng nó ở ngõ ra Hiện tượng hấp thụ, hình 1.14a, xảy ra khi một photon có năng lượng hf12 bị hấp thụ bởi một ñiện tử ở trạng thái năng lượng thấp Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf12 bằng với ñộ chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng cao

và trạng thái năng lượng thấp của ñiện tử Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ, ñiện tử sẽ nhận ñược năng lượng từ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao Hay nói cách khác, hiện tượng hấp thụ là nguyên nhân gây suy hao cho tín hiệu quang khi ñi qua bộ khuếch ñại quang

Hiện tượng phát xạ tự phát, hình 1.14b, xảy ra khi một ñiện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượng Eg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao E2 không phải là trạng thái năng lượng bền vững của ñiện tử Sau một khoảng thời gian ñược gọi là thời gian sống (life time) của ñiện tử ở mức năng lượng cao, ñiện tử sẽ tự ñộng chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái năng lượng bền vững) Tùy theo loại vật liệu khác nhau

mà thời gian sống của ñiện tử sẽ khác nhau

Cho dù hiện tượng phát xạ tự phát tạo ra photon ánh sáng, nhưng trong khuếch ñại quang, phát xạ tự phát không tạo ra ñộ lợi khuếch ñại Nguyên nhân là do hiện tượng này xảy ra một cách tự phát, không phụ thuộc vào tín hiệu ánh sáng ñưa vào

bộ khuếch ñại Nếu không có tín hiệu ánh sáng ñưa vào, vẫn có năng lượng ánh sáng ñược tạo ra ở ngõ ra của bộ khuếch ñại Ngoài ra, ánh sáng do phát xạ tự phát tạo ra không có tính kết hợp như hiện tượng phát xạ kích thích Do vậy, phát xạ tự phát ñược xem là nguyên nhân chính gây nhiễu trong các bộ khuếch ñại quang Loại nhiễu này ñược gọi là nhiễu phát xạ tự phát

1.2.3.3 Các thông số kỹ thuật trong khuếch ñại quang

G: ðộ lợi tín hiệu của bộ khuếch ñại quang

Pin , Pout: Công suất tín hiệu ánh sáng ở ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch ñại quang (mW)

ðộ lợi ñặc trưng cho khả năng khuếch ñại công suất ánh sáng của bộ khuếch ñại Tuy vậy ñộ lợi của bộ khuếch ñại bị giới hạn bởi các cơ chế bão hòa ñộ lợi ðiều này làm giới hạn công suất quang ra cực ñại của bộ khuếch ñại

1.2.3.3.2 Băng thông ñộ lợi (Gain Bandwidth)

ðộ lợi của bộ khuếch ñại quang không bằng nhau cho tất cả các tần số của tín hiệu quang vào Nếu ño ñộ lợi G của các tín hiệu quang với các tần số khác nhau,

một ñáp ứng tần số quang của một bộ khuếch ñại G(f) sẽ ñạt ñược ðây chính là phổ

ñộ lợi của bộ khuếch ñại quang

Băng thông ñộ lợi của bộ khuếch ñại quang B0 ñược xác ñịnh bởi ñiểm -3dB

so với ñộ lợi ñỉnh của bộ khuếch ñại Giá trị B0 xác ñịnh băng thông của các tín hiệu

có thể ñược truyền bởi một bộ khuếch ñại quang Do ñó ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của các hệ thống thông tin quang khi sử dụng chúng như các bộ lặp hay bộ tiền khuếch ñại

1.2.3.3.3 Công suất ngõ ra bão hòa (Saturation Output Power)

Khi hoạt ñộng ở chế ñộ tín hiệu nhỏ, công suất quang ở ngõ ra sẽ tăng tuyến tính với công suất quang ở ngõ vào theo hệ số ñộ lợi G: Pout = G.Pin Tuy nhiên công suất ngõ ra không thể tăng mãi ñược Bằng thực nghiệm, người ta thấy rằng trong tất

cả các bộ khuếch ñại quang, khi công suất ngõ vào Pin tăng ñến một mức nào ñó thì

ñộ lợi G bắt ñầu giảm Kết quả là công suất ở ngõ ra không còn tăng tuyến tính với tín hiệu ngõ ra nữa mà ñạt trạng thái bão hòa Sự thay ñổi tín hiệu quang ngõ ra so với công suất quang ở ngõ vào ñược minh họa như hình sau:

§é lîi tÝn hiÖu

Pout,sat

G

Pout 3dB

Pin,sat

Pout,sat

Pin Pout

1.2.3.3.4 Hệ số nhiễu (Noise Figure)

Giống như các bộ khuếch ñại ñiện, các bộ khuếch ñại quang ñều tạo ra nhiễu Nguồn nhiễu chính do các bộ khuếch ñại quang tạo ra là do phát xạ tự phát, vì sự phát xạ tự phát là các sự kiện ngẫu nhiên, pha của các photon phát xạ cũng ngẫu nhiên Nếu photon phát xạ tự phát có hướng gần với hướng truyền của các photon tín hiệu, chúng sẽ tương tác với các photon tín hiệu gây nên sự dao ñộng về pha và biên

ñộ Bên cạnh ñó, năng lượng do phát xạ tự phát tạo ra cũng sẽ ñược khuếch ñại về phía ngõ ra Do ñó tại ngõ ra của bộ khuếch ñại công suất quang thu ñược Pout bao gồm cả công suất tín hiệu ñược khuếch ñại và công suất phát nhiễu tự phát ñược khuếch ñại ASE (Amplified Spontaneous Emission)

Pout = G.Pin + PASE

Ảnh hưởng của nhiễu ñối với bộ khuếch ñại quang ñược biểu diễn bởi hệ số nhiễu NF (Noise Figure), mô tả sự suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ration) do nhiễu của bộ khuếch ñại thêm vào Hệ số NF ñược tính bởi công thức:

NF =

out

in

SNR SNR

Trong ñó: SNRin , SNRout là tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở ngõ vào và ra của bộ khuếch ñại

Hệ số nhiễu NF của bộ khuếch ñại càng nhỏ thì càng tốt Giá trị nhỏ nhất của

NF có thể ñạt ñược là 3dB Những bộ khuếch ñại hoạt ñộng thỏa mãn hệ số tối thiểu này ñược gọi là ñang hoạt ñộng ở giới hạn lượng tử

Ngoài bốn thông số kỹ thuật trên, các bộ khuếch ñại quang còn ñược ñánh giá dựa trên các thông số sau:

+ ðộ nhạy phân cực (Polarization sensitiviti) là sự phụ thuộc của ñộ lợi vào phân cực của tín hiệu

+ Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñối với ñộ lợi và băng thông ñộ lợi

+ Xuyên nhiễu (Crosstalk)

1.2.3.4 Bộ khuếch ñại EDFA

Loại khuếch ñại quang ñiển hình là bộ khuếch ñại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - khuếch ñại quang sợi có pha tạp Erbium)

Hình 1.16: Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch ñại EDFA

Bộ EDFA thực chất là sợi quang có pha ion ñất hiếm Erbium EDF Doped Fiber): là nơi xảy ra quá trình khuếch ñại tín hiệu ánh sáng (vùng tích cực)

(Erbium-Coupler

LASER bơm

Er3+ Doped Fiber

của EDFA ðặc ñiểm của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch ñại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp Hình 1.16 mô tả bộ EDFA

Theo hình vẽ thì ánh sáng bơm vào từ laser ñược kết hợp với tín hiệu quang cần khuếch ñại nhờ sử dụng bộ ghép WDM Coupler trên hệ thống Ánh sáng bơm này ñược truyền dọc theo sợi có pha Eribium và tín hiệu bơm này kích thích các các ion Eribium lên mức năng lượng cao hơn Sự dịch chuyển mức năng lượng của ñiện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, ñược gọi là bức xạ tự phát nếu không có bất cứ tác ñộng nào từ phía bên ngoài, còn gọi là bức xạ kích thích khi do sự có mặt các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển Khi tín hiệu dữ liệu ñược truyền ñến EDFA, tín hiệu dữ liệu này ñến gặp các ion Er3+ ñã ñược kích thích ở mức năng lượng cao Quá trình này làm cho các ion nhảy từ trạng thái năng lượng cao xuống mức trạng thái năng lượng thấp nên phát ra photon, do ñó sẽ khuếch ñại công suất tín hiệu lên rồi truyền ñi tiếp trong sợi quang

Bộ khuếch ñại EDFA có thể ñược bơm theo ba cách:

+ Bơm thuận (codirectional pumping): nguồn bơm ñược bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu

+ Bơm ngược (counterdirectional pumping): nguồn bơm ñược bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu

+ Bơm hai chiều (dual pumping): sử dụng hai nguồn bơm và ñược bơm theo hai chiều ngược nhau

Hướng bơm thuận có ưu ñiểm nhiễu thấp vì nhiễu khá nhạy cảm với ñộ lợi, mà

ñộ lợi tín hiệu cao nhất khi công suất tín hiệu vào thấp nhất Trong khi ñó, hướng bơm ngược cung cấp công suất ra bão hoà cao nhưng có hệ số nhiễu cao hơn bơm thuận

Do vậy, người ta ñề nghị sử dụng cả hai laser bơm có bước sóng bơm khác nhau Việc bơm tại bước sóng 1480 nm thường ñược sử dụng theo chiều ngược với hướng truyền tín hiệu và bơm tại 980 nm theo hướng thuận ñể sử dụng tốt nhất ưu ñiểm của mỗi loại bơm Bơm tại 1480 nm có hiệu suất lượng tử cao hơn nhưng có hệ

số nhiễu cao hơn, trong khi bơm tại bước sóng 980 nm có thể cung cấp một hệ số nhiễu gần mức giới hạn lượng tử Hệ số nhiễu thấp phù hợp cho các ứng dụng tiền khuếch ñại

Bước sóng bơm 980nm 1480nm

Tính chất:

Bảng 1.3: So sánh ưu nhược ñiểm khi bơm tại bước sóng 980nm và 1480nm Một EDFA ñược bơm bằng một nguồn bơm có thể cung cấp công suất ñầu ra cực ñại khoảng +16 dBm trong vùng bão hoà hoặc hệ số nhiễu từ 5-6 dB trong vùng tín hiệu nhỏ Cả hai bước sóng bơm ñược sử dụng ñồng thời có thể cung cấp công suất ñầu ra cao hơn Một EDFA ñược bơm kép có thể cung cấp công suất ra tới +26 dBm trong vùng công suất bơm cao nhất có thể ñạt ñược

Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang ñược khuếch ñại phản xạ ngược về phía ñầu phát hoặc các tín hiệu quang trên ñường truyền phản xạ ngược về EDFA

Các ưu khuyết ñiểm của EDFA:

- Ưu ñiểm:

+ Nguồn laser bơm bán dẫn có ñộ tin cậy cao, gọn và công suất cao

+ Cấu hình ñơn giản, do ñó hạ giá thành của sản phẩm

+ Cấu trúc nhỏ gọn do vậy có thể lắp ñặt nhiều EDFA trong cùng một trạm,

dễ vận chuyển và thay thế

+ Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển

+ Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch ñại các tín hiệu WDM

+ Hầu như không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu

- Khuyết ñiểm:

+ Phổ ñộ lợi của EDFA không bằng phẳng

+ Băng tàn hiện nay ñang bị giới hạn trong băng C và băng L

+ Nhiễu ñược tích lũy qua nhiều chặng khuếch ñại gây hạn chế cự ly truyền dẫn

1.2.4 Phần thu quang

1.2.4.1 Khái quát về nguồn thu quang

Nguồn thu quang sử dụng trong thông tin sợi quang là diode bán dẫn quang gọi

là photo diode Có hai loại photo diode ñược sử dụng phổ biến là photo diode PIN và

và photo diode thác APD Photo diode có nhiệm vụ thu và biến ñổi tín hiệu quang từ máy phát truyền dọc sợi quang về dạng tín hiệu ñiện

Photo diode dùng trong hệ thống thông tin quang cần ñáp ứng những yêu cầu sau:

- Kích thước phù hợp với kích thước lõi sợi quang

Photo diode làm việc dựa trên hiệu ứng quang ñiện của lớp chuyển tiếp bán dẫn P-N khi ñược cấp ñiên áp ngược (ñiện áp âm ñặt lên lớp P)

1.2.4.2 Photo diode PIN

Photo diode PIN ñược cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm 3 lớp là P, N

và lớp giữa I I là chất bán dẫn tinh khiết (Instrinsic) Tại hai lớp P và N có gắn lớp tiếp xúc kim loại ñể tạo thành các ñiện cực là anôt và catot Nhờ có thêm vùng bán dẫn tinh khiết I nên ñiện trường do ñiện áp ñặt từ ngoài lên vùng này có cường ñộ trường khá lớn

P

I

N

Chiều dầy Trở tải RL

Ngoài ra 2 lớp P và N ñược chế tạo rất mỏng, ñể cho các cặp ñiện tử và lỗ trống chỉ ñược tạo ra ở lớp nghèo, nên giảm ñược dòng ñiện khuếch tán, do ñó làm giảm thời gian ñáp ứng Lớp nghèo chiếm cả vùng I và mở rộng sang 2 bên lớp P và N một phần, do ñó làm tăng hiệu suất lượng tử của diode

Photo diode PIN ñược ứng dụng trong các hệ thống thông tin tốc ñộ trung bình,

cự ly trung bình, có giá thành rẻ và tin cậy

1.2.4.3 Photo diode thác APD

ðể tăng ñộ nhạy của diode và tạo ra dòng quang ñiện lớn hơn, người ta nghĩ ra diode hiệu ứng thác Diode loại này khuyếch ñại dòng quang ñiện ngay trong lòng bán dẫn quang Cấu tạo của nó gần giống với PIN nhưng có thêm lớp bán dẫn pha tạp loại p giữa lớp bán dẫn n+ và lớp bán dẫn tự dẫn I Như vậy có cấu trúc p+ipn+

Hình 1.18: Diode tách sóng quang kiểu APD

Nguyên lý hoạt ñộng của diode APD:

Phân cực ngược cho diode, vùng tiếp giáp giữa lớp p và lớp n+ có ñiện trường lớn Khi ánh sáng ñược chiếu vào diode, photon sẽ ñi qua lớp p+ và ñược hấp thụ trong lớp i Vùng i ñóng vai trò như là vùng nhận các hạt mang quang ñược phát ra Năng lượng photon khi ñược hấp thụ sẽ taọ ra các cặp ñiện tử - lỗ trống Dưới tác ñộng của ñiện trường, các cặp này tách ra thành ñiện tử và lỗ trống, chuyển ñộng ngược chiều nhau dưới tác ñộng của lực hút và tạo thành dòng quang ñiện Khi ñiện

tử ñi qua vùng tiếp giáp pn+, chúng có vận tốc rất nhanh nên khi va chạm với các hạt dẫn khác sẽ tạo ra các cặp ñiện tử - lỗ trống khác, các hạt này bị tách ra do tác ñộng của ñiện trường, ñây gọi là hiệu ứng thác Nếu ñiện áp quá lớn, quá trình này sẽ ñạt ñến trạng thái thủng tức là dòng ñiện sẽ tăng lên giá trị rất cao ñộc lập với ánh sáng

N+ P+ I P - ñế

chiếu vào (Hiệu ứng thác bị phá vỡ) để tránh hiện tượng này cần giữ ựiện áp ựặt vào

từ 10% ựến 15% ựiện áp mà tại ựó hiệu ứng thác bị phá vỡ

đối với diode APD, hệ số nhân M cho tất cả các hạt mang ựược phát ra trong diode quang ựược xác ựịnh như sau:

M =

P

M I I

Trong ựó:

IM: Giá trị trung bình của dòng ựầu ra ựã ựược nhân

IP: Dòng photon ban ựầu không ựược nhân (dòng ra của diode quang loại PIN), ựây chắnh là số lượng hạt mang ựược tạo ra khi có một photon ựến

Trong thực tế, cơ chế thác là một quá trình thống kê vì không phải mọi cặp hạt ựều ựược phát ra trong diode với cùng một hệ số nhân Do ựó giá trị M ựược tắnh như một giá trị trung bình, thường là giữa 30 và 100

độ nhạy của APD cũng ựược mô tả bằng ựáp ứng của bộ thu đáp ứng của diode quang hiệu ứng thác APD ựược tắnh như sau:

1 APD

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Qua chương này chúng ta ñã tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang với những ưu nhược ñiểm của nó ðồng thời cũng giới thiệu các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang: cáp sợi quang, phần phát quang, khuếch ñại quang, phần thu quang

Khi truyền ánh sáng trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần theo cự ly với quy luật của hàm số mũ nên ánh sáng bị suy hao Các nguyên nhân gây suy hao như suy hao do hấp thụ, do tán xạ, do sợi bị uốn cong và do kết nối ðối với hệ thống thông tin quang thì hiện tượng tán sắc cũng ảnh hưởng rất lớn ñến quá trình truyền dẫn quang, nó gây nên giãn xung ở ñầu thu, trong một số trường hợp các xung lân cận ñè lên nhau, khi ñó không phân biệt ñược các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu

Trong hệ thống thông tin quang, nguồn quang tạo ra sóng mang quang và mạch ñiều chế có nhiệm vụ ñiều chế sóng mang ñó theo tín hiệu cần truyền Nguồn quang dùng trong thông tin quang thường là các Diode bức xạ ánh sáng LED và Diode laser

LD, yêu cầu có ñộ rộng phổ hẹp (càng hẹp càng tốt) ñể tránh xuyên âm, có thể ñiều chỉnh ñược bước sóng quang phát ra Các nguồn phát quang bán dẫn dùng trong thông tin quang như LED và Diode laser dựa trên nguyên lý bức xạ ánh sáng do sự tái hợp giữa ñiện tử và lỗ trống xảy ra trong vùng chuyển tiếp P-N của chất bán dẫn ñược ñặt dưới ñiện áp thuận Vùng tiếp giáp P-N này ñược gọi là vùng hoạt tính của LED và LD

Trên ñường truyền tín hiệu quang có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự suy hao

về công suất Vì vậy mà ở các tuyến truyền dẫn có khoảng cách lớn, người ta mắc thêm vào hệ thống các trạm lặp, thường là các trạm lặp quang ñiện Tuy nhiên, khi khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang ña bước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang ñiện cần ñược sử dụng ñể khuếch ñại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau ðiều này làm tăng ñộ phức tạp cũng như giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM ðể khắc phục nhược ñiểm trên của các trạm lặp quang ñiện, ñó là sử dụng các bộ khuếch ñại quang, ñiển hình là bộ khuếch ñại quang EDFA Trong các bộ khuếch ñại quang này ánh sáng ñược khuếch ñại trực tiếp trong miền quang mà không thông qua việc biến ñổi sang miền ñiện Khuếch ñại quang khuếch ñại ñược nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau cùng truyền trên một sợi quang

Hệ thống thông tin quang dựa vào ưu ñiểm vượt trội của mình ñang phát triển mạnh mẽ và ñáp ứng nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG (WDM) VÀ KỸ THUẬT ðỊNH TUYẾN

Ngày nay với nhu cầu sử dụng thông tin hết sức ña dạng, các mạng ngày càng

mở rộng Do vậy vấn ñề ñặt ra cho các nhà cung cấp dịch vụ là hết sức nặng nề khi phải giải quyết rất nhiều vấn ñề liên quan ñến lưu lượng truyền dẫn Do những yêu cầu về kinh tế và những ñặc ñiểm ưu việt của sợi quang nên sợi quang ñược dùng chung cho nhiều thuê bao nên ta phải xét ñến công nghệ ghép kênh Hai kỹ thuật ghép kênh cơ bản có thể sử dụng ñộc lập hoặc kết hợp với nhau là ghép kênh theo thời gian TDM và ghép kênh theo bước sóng WDM

2.1 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO THỜI GIAN TDM (TIME DIVISION MULTIPLEXING)

2.1.1 Tổng quan về hệ thống ghép kênh quang theo thời gian TDM

Hiện nay công nghệ thông tin quang ñã ñạt ñược những thành tựu rất to lớn, trong ñó phải kể ñến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện việc ghép các tín hiệu ánh sáng ñể truyền trên sợi quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền và tạo ra các tuyến thông tin có tốc ñộ cao Việc xây dựng các hệ thống thông tin quang tốc ñộ cao 10Gbit/s, 20Gbit/s và 40Gbit/s TDM cho mỗi luồng ñơn kênh quang gặp khó khăn

do sự hạn chế của các mạch ñiện tử, các mạch ñiện tử không ñảm bảo ñược việc ñáp ứng xung tín hiệu cực kỳ hẹp cùng với nó là chi phí cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (TDM – Time Division Multiplexing) ra ñời ñã khắc phục ñược những hạn chế trên bởi vì quá trình ghép các luồng tín hiệu quang thành các luồng tín hiệu

có tốc ñộ cao hơn không thông qua một quá trình biến ñổi nào về ñiện Sự phát triển của chúng ñòi hỏi nhiều loại bộ phát và bộ thu quang với công nghệ mới sử dụng kỹ thuật ghép tách kênh toàn quang Nhờ công nghệ TDM mà ta có thể xây dựng ñược các hệ thống thông tin quang có tốc ñộ cao tới hàng trăm Gbit/s ñến trên 1Tbit/s

Hình 2.1: Hệ thống ghép kênh phân chia theo thời gian TDM

Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian ra ñời thích hợp với công nghệ truyền dẫn SDH Kỹ thuật SDH sẽ ghép các kênh ñể tạo ra các luồng tín hiệu quang, còn TDM sẽ thực hiện việc ghép các luồng quang này ñể tạo ra các tuyến truyền dẫn có dung lượng cao

2.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng

Trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian, tín hiệu quang trên một sợi cáp ñược chia sẻ với nhiều kênh thông tin thông qua việc phân chia thời gian Trong một khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tín hiệu quang ñược ñiều chế lần lượt với tín hiệu từ các kênh thông tin tương ứng ðộ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thông số thiết kế kỹ thuật khác nhau, ñặc biệt là tốc ñộ truyền dẫn cần thiết ñối với mỗi liên kết Mỗi kênh truyền dẫn ñược ấn ñịnh một khe thời gian cụ thể, gọi là một kênh TDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu ñược truyền từ nguồn tới ñích Dữ liệu từ các nguồn khác không ñược phép truyền trong suốt thời gian này Thiết bị ghép kênh ở phía phát chèn các gói dữ liệu từ các nguồn khác nhau vào sợi cáp trong các khe thời gian tương ứng Thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ nhận dạng các khe thời gian, ñưa dữ liệu dưới dạng các dòng liên tục ra các kênh quang riêng rẽ như

ở ñầu vào bộ ghép kênh ở phía phát Nguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian thường là các laser phát xung rất hẹp ở tốc ñộ rất cao, bước sóng làm việc thường trong vùng 1550 nm do có suy hao nhỏ nhất và phù hợp với các bộ khuyếch ñại quang sợi sử dụng trong hệ thống

Sîi quang

T¸ch kªnh

K§

quang

GhÐp quang

TrÔ quang

§iÒu chÕ K§

quang

Trong TDM hệ thống chỉ hoạt ñộng tại một bước sóng quang cố ñịnh và duy nhất Mỗi thuê bao sẽ ñược ñịnh sẵn một số khe thời gian nhất ñịnh tùy theo yêu cầu dịch vụ tuân theo sự ñiều khiển của ONM (ONM- Optical Network Manager) Tại các ñiểm phân phối, công suất quang ñược chia nhỏ cho các thuê bao giống như phát quảng bá Tín hiệu quang sau khi chia ñược ñưa tới các ONU (ONU- Optical Network Unit) ñể thực hiện chuyển ñổi O/E và thực hiện tách kênh ñể ñưa tới từng thuê bao

Splitter Splitter

Rx Tx

Hình 2.2: Cấu hình hệ thống TDM (ñơn giản)

ðể thực hiện thông tin hai chiều có thể sử dụng hai biện pháp:

+ Sử dụng 2 sợi quang: Một chiều cho thông tin tới thuê bao và một chiều cho thông tin về tổng ñài Biện pháp này rất tốn kém về mặt thiết bị nên không thực tế + Sử dụng kỹ thuật TCM (TCM- Time Compression Multiplexing): Theo kỹ thuật này các khung TDM lên và xuống ñược truyền lần lượt, luân phiên nhau Như vậy ñể thực hiện truyền song công thì tốc ñộ bít của bộ thu phát TCM phải lớn gấp hai lần tốc ñộ bít ban ñầu

TDM lªnTDM xuèng

TDM lªnTDM xuèng

Hình 2.3: Giản ñồ thời gian trong kỹ thuật TCM

Ký hiệu: TD : Thời gian trễ

TFR: Thời gian của khung TDM lên hay xuống

TG : Thời gian bảo vệ an toàn Theo giản ñồ thời gian, ta có TTCM ≥ 2.( TD + TFR + TG )

2.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG (WDM)

2.2.1 Tổng quan

Trong các tuyến thông tin quang ñiểm nối ñiểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang xác ñịnh riêng biệt, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy, muốn tăng dung lượng hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM cho phép ta tăng dung lượng truyền dẫn quang mà không cần tăng tốc ñộ bit ñường truyền và cũng không cần tăng thêm số sợi quang

Ghép kênh quang theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing)

là công nghệ “ Trong một sợi quang ñồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở ñầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ñược tổ hợp lại (ghép kênh) ñể truyền ñi trên một sợi quang Ở ñầu thu, tín hiệu tổ hợp ñó ñược phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi ñưa vào các ñầu cuối khác nhau Công nghệ WDM có thể mang ñến giải pháp hoàn thiện nhất trong ñiều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất nó vẫn giữ tốc ñộ xử lý của các linh kiện ñiện tử ở mức

10 Gbps, bảo ñảm thích hợp với sợi quang hiện tại Thứ hai, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm ñến 1675 nm

Ban ñầu, hệ thống WDM hoạt ñộng ở băng C Về sau, bộ khuếch ñại quang EDFA có khả năng hoạt ñộng ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA, do vậy hoạt ñộng ñược cả ở băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (ñảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong ñiều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt ñộng trên mỗi băng Như vậy, nếu giữ nguyên tốc ñộ bít trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng ñủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần

Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng (nm)

bộ tách kênh DEMUX sẽ phân tách ñể thu nhận lại các bước sóng này, khôi phục lại các tín hiệu gốc rồi ñưa vào các ñầu cuối khác nhau Hình 2.4 minh họa một cách rõ ràng hệ thống WDM

Thu tÝn hiÖu

T¸ch tÝn hiÖu

EDFA

TruyÒn tÝn hiÖu trªn sîi quang EDFA

GhÐp tÝn hiÖu

Ph¸t

tÝn hiÖu

Rx1 Rx2

Rxn

DE MUX

Một hệ thống WDM có các chức năng cơ bản sau:

Phát tín hiệu: trong hệ thống WDM, nguồn phát quang ñược dùng là laser Hiện tại ñã có một số nguồn như laser ñiều chỉnh ñược bước sóng (tunable laser), laser ña bước sóng (multiwavelength laser),…Yêu cầu ñối với nguồn laser là ñộ rộng phổ phải hẹp, bước sóng phát ra phải ổn ñịnh, mức công suất phát ñỉnh, ñộ rộng phổ phải nằm trong giới hạn cho phép

Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp của một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp ñể truyền dẫn qua sợi quang

Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp ñó thành các tín hiệu ánh sáng riêng biệt tại mỗi cổng ñầu ra bộ tách Hiện ñã có các bộ ghép/tách tín hiệu như: bộ lọc màng mỏng ñiện môi, cách tử Bagg, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot… Khi xét ñến các bộ ghép/tách WDM ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, ñộ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính ñồng ñều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bagg, xuyên

âm gần ñầu ra…

Truyền dẫn tín hiệu: quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn ñề liên quan tới khuếch ñại tín hiệu… Mỗi vấn ñề kể trên ñều phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi)

Khuếch ñại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch ñại quang sợi EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch ñại Raman hiện nay cũng ñã ñược sử dụng trên thực tế Có ba chế ñộ khuếch ñại: khuếch ñại công suất, khuếch ñại ñường và tiền khuếch ñại Khi dùng bộ khuếch ñại EDFA cho hệ thống WDM phải ñảm bảo những yêu cầu sau:

+ ðộ lợi khuếch ñại ñồng ñều ñối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1dB)

+ Sự thay ñổi số lượng kênh bước sóng làm việc không ñược gây ảnh hưởng ñến công suất ñầu ra của các kênh

+ Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất ñầu vào ñể ñiều chỉnh lại các hệ số khuếch ñại nhằm ñảm bảo ñược tuyến khuếch ñại là bằng phẳng ñối với tất cả các kênh

Thu tín hiệu: thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin thông thường: PIN, APD

2.2.4 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang ñể mang ñi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, ñiều thiết yếu là việc truyền ñồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng ñại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1nm hay 10-9 m, ñiều này dẫn ñến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật ñộ cao (DWDM) Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 ñến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng

dữ liệu ñồng bộ tốc ñộ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số ñồng bộ (SDH/SONET) Các nhà cung cấp DWDM ñã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ ñây

ñã sẵn sàng ñược ñưa vào sử dụng, cung cấp một tốc ñộ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới ñạt tốc ñộ Tbit/s truyền trên một sợi ñơn Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM ñó là:

2.2.4.1 Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 2.5), ở ñầu phát các tín hiệu có các bước sóng quang khác nhau và ñã ñược ñiều chế λ1, λ2, ……, λn thông qua

bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang.Vì các tín hiệu ñược mang thông qua các bước sóng khác nhau, do ñó sẽ không bị lẫn lộn Ở ñầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh Ở chiều ngược lại truyền dẫn trên một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

2.2.4.2 Truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi là ở hướng ñi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ……, λn qua bộ ghép/tách kênh ñược tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang ñó, ở hướng về các bước sóng

λn+1, λn+2, ……, λ2n ñược truyền dẫn theo chiều ngược lại (như hình 2.6) Nói cách khác

ta dùng các bước sóng tách rời ñể thông tin hai chiều (song công)

Hình 2.5: Sơ ñồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang

Hình 2.6: Sơ ñồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang

Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi ñược ứng dụng và phát triển tương ñối rộng rãi Hệ thống WDM hai chiều trên cùng một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, ñòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới ñầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu ñược sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn ñịnh

Hệ thống WDM ñược thiết kế phải giảm tối ña các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn Ngoài việc ñảm bảo suy hao xen của các phần tử ghép, hoặc tại các ñiểm ghép nối các module, các mối hàn…, bởi chúng có thể làm gia tăng vấn ñề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn ñến làm suy giảm nghiêm trọng tỷ số S/N của

hệ thống Các hiệu ứng trên ñặc biệt nghiêm trọng ñối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do ñó hệ thống này có khả năng ít ñược lựa chọn khi thiết kế tuyến

Ở một mức ñộ nào ñó, ñể ñơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách biến ñổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậy hiểu ñơn giản, từ bộ ghép (multiplexer) trong trường hợp này thường ñược sử dụng ở dạng chung ñể xét cho cả bộ ghép và bộ tách

Thiết bị WDM ñược chia làm ba loại:

+ Các bộ ghép ((MUX)

+ Các bộ tách (DEMUX)

+ Các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX)

Các bộ MUX và DEMUX ñược sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn MUX-DEMUX ñược sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng Hình 2.7 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp

Hình 2.7: Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX)

2.2.5 Những vấn ñề kỹ thuật trong hệ thống ghép kênh quang WDM

2.2.5.1 Ổn ñịnh bước sóng và ñộ rộng phổ của nguồn quang

Trong hệ thống WDM cần phải quy ñịnh và ñiều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang ñể tránh sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn ñịnh hay kém tin cậy vì khoảng cách giữa các bước sóng là rất gần nhau Hiện nay dùng hai phương pháp ñiều khiển nguồn quang:

+ Phương pháp ñiều khiển phản hồi thông qua nhiệt ñộ chip của bộ phát quang ñể ñiều khiển bước sóng và ổn ñịnh bước sóng

+ Phương pháp 2: Việc ñiều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở ñầu ra, dựa vào sự chênh lệch trị số giữa ñiện áp ñầu ra và ñiện

áp tham khảo tiêu chuẩn ñể ñiều khiển nhiệt ñộ của bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng tung tâm

Việc chọn ñộ rộng phổ của nguồn phát nhằm ñảm bảo cho các kênh hoạt ñộng một cách ñộc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng ghép kênh ñược rất lớn Tuy nhiên trong thực tế các hệ thống WDM thường ñi liền với các

hệ thống khuếch ñại quang sợi, chỉ làm việc ở vùng cửa sổ 1550nm, nên băng tần của

hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của hệ thống khuếch ñại Như vậy vấn ñề ñặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thỏa mãn những yêu cầu, tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào ñộ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến…