Ưu điểm của ghép kênh quang Các phần tử quang thay thế các phần tử điện tử ở những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao Þ khắc phục được nhược điểm
Trang 1Các luồng tín hiệu cấp thấp được ghép lại (FDM,
TDM) thành các luồng tốc độ cao, sau đó được
Dung lượng thấp <10 Gb/s do ảnh hưởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi. Mặc dù băng tần quang rất lớn >1 THz.
Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ đạt đến cỡ chục Gb/s, cự ly truyền ngắn lại, bản thân mạch điện tử không đáp ứng được xung tín hiệu cực hẹp.
Việc khắc phục nhược điểm trên đòi hỏi công nghệ cao và tốn kém.
Ưu điểm của ghép kênh quang
Các phần tử quang thay thế các phần tử điện tử ở những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao Þ khắc phục được nhược điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử
đã nêu trên.
Các phần tử quang tận dụng được phổ hẹp của laser
Þ tăng khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode Þ tạo khả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tương lai.
Tiết kiệm sợi quang, tận dụng được băng tần không hạn chế của sợi
Trang 22/26/2007 Optic Communication Systems 5
Các kỹ thuật ghép kênh quang
Ghép kênh phân chia thời gian quang OTDM
Ghép kênh phân chia bước sóng WDM hay ghép
kênh phân chia tần số quang OFDM. (most
chế bởi các chuỗi bit điện độc lập được phát đi trên
cùng một sợi quang sau khi đã được ghép kênh
bằng kỹ thuật TDM hoặc FDM.
Tín hiệu quang tại đầu thu được giải ghép kênh
thành các kênh riêng rẽ nhờ kỹ thuật quang.
Kỹ thuật WDM khai thác băng tần rộng của sợi
quang. Ví dụ: hàng trăm kênh 10 Gb/s có thể được
truyền qua cùng một sợi khi khoảng cách kênh giảm
xuống dưới 100 GHz.
2/26/2007 Optic Communication Systems 7
Các cửa sổ có suy hao thấp dùng cho WDM
Các hệ thống TTQ WDM(tiếp …)
Sparse WDM: Early 1980s, 2 bước sóng được ghép lại
chủ yếu nằm ở 2 cửa sổ quang khác nhau (1,3 mm và 1,55 mm). Eg. Dung lượng của 1 hệ thống hiện đang hoạt động
Trang 3Các tần số kênh (hay bước sóng) của các hệ thống WDM đã được chuẩn hóa bởi ITU trên lưới 100 GHz trong dải 186196 THz (bao trùm các băng C và L trong dải bước sóng 15301612 nm)
Hai phương án truyền dẫn
Có hai phương án cho hệ thống truyền dẫn sử dụng WDM.
Truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng (Hình bên) Þ hệ thống đòi hỏi 2 sợi quang để thực hiện truyền thông tin cho chiều đi và chiều về.
Truyền dẫn hai hướng. Hệ thống truyền thông tin cho một hướng tại các bước sóng l 1 , l 2 ,…, l n và đồng thời cũng truyền thông tin theo hướng ngược lại tại các bước sóng l’ 1 , l’ 2 ,…, l’ n Þ hệ thống chỉ cần 1 sợi quang cũng đủ để thiết lập tuyến truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về.
Trang 4các bước sóng đi tới. Do vậy, cần phải cách ly tốt
giữa các kênh quang Þ phải có bộ giải ghép chính
Các tham số cơ bản mô tả đặc tính của các bộ ghép giải ghép hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh.
Ký hiệu I(l i ) và O(l k ) tương ứng là các tín hiệu đã ghép đang có mặt trên sợi quang.
Ký hiệu I k (l k ) là tín hiệu đầu vào (phát ra từ nguồn quang thứ k) được ghép vào cửa thứ k và O i (l i ) là tín hiệu có bước sóng l i đã được giải ghép và đi ra cửa thứ i
Trang 5Với L i là suy hao tại bước sóng l i khi thiết bị được
ghép xen vào tuyến truyền dẫn – được nhà chế tạo
cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.
) (
) ( log
) ( log
Thực tế, luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, dẫn tới làm giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống.
) ( log
10 )
l
l l
Trang 6Đối với nguồn quang là LED, độ rông kênh yêu cầu phải lớn hơn từ 1020 lần vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn
giữa các kênh và được xác định theo loại nguồn phát.
I.1.2. Công nghệ thành phần thiết bị WDM
Trang 7thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các
tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode. Chúng có
những hạn chế đối với sợi quang đơn mode.
Công nghệ WDM ghép sợi: dựa vào việc ghép giữa
các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ
thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn
mode.
2/26/2007 Optic Communication Systems 27
Các công nghệ WDM vi quang
Các thiết bị WDM vi quang được chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau:
các thiết bị có bộ lọc, và các thiết bị phân tán góc
Thiết bị WDM sử dụng bộ lọc quang được sử dụng nhiều nhất và cấu trúc của nó cũng khá phức tạp. Thiết bị lọc quang cho WDM thường là bộ lọc điện môi làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu ở một dải phổ nào đó và cho dải phổ còn lại đi qua. Tức là
nó có cơ chế hoạt động mở cho một bước sóng (hoặc nhóm bước sóng) tại một thời điểm nhằm tách
ra một bước sóng trong nhiều bước sóng (Hình bên)
Nguyên lý hoạt động của phần tử WDM với cấu trúc sử dụng lọc điện môi.
Trang 8Bằng cách lựa chọn cẩn thận vật liệu và số lớp màng mỏng, ta có thể tạo ra gương có hệ số phản xạ bất kỳ. Ngoài ra, độ dài “gap” trong hình trên có thể được nối chuỗi. Nhờ vậy, ta có thể kiểm soát rất chính xác băng thông và dạng đáp ứng của bộ lọc.
Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ:
và có đáp ứng phổ thông thấp hoặc cao như sau
Các bộ lọc băng thông, được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm l c và độ rộng băng tần FWHM= Dl.
Trang 9Bộ lọc băng thông được sử dụng tốt cho các thành
phần thiết bị WDM, phù hợp với các nguồn phát có
Các thấu kính được sử dụng trong nhiều trường hợp như dùng để ghép ánh sáng từ laser hoặc LED vào sợi.
Các lăng kính được sử dụng trong một số ứng dụng như trong bộ circulator.
Đặc tính duy nhất của những thiết bị này được cho là khác thường ở chỗ chúng thường rất nhỏ.
Trang 10Tính chất hữu ích nhất của chúng: điểm hội tụ của thấu kính nằm trên bề mặt và mặt này phẳng. Ngoài ra chúng rất dễ chế tạo. Nhược điểm chính là ta không thể kiểm soát được sự thay đổi chiết suất thật chính xác để chúng
có điểm hội tụ tốt như thấu kính thường.
Cách tử nhiễu xạ
Một cách tử nhiễu xạ là một thiết bị phản xạ hoặc khúc xạ ánh sáng một góc tương ứng với bước sóng. Chẳng hạn, nếu ánh sáng mặt trời chiếu vào một cách tử nhiễu xạ (ở một góc đúng) thì ánh sáng
sẽ bị phân tách thành các màu thành phần của nó để hình thành nên cầu vồng. Chức năng này (nhiễu xạ) giống như chức năng của một lăng kính. Thiết bị này thực hiện chuyển đổi Fourier và tách một dạng sóng trong miền thời gian thành một số dạng sóng trong miền tần số
Trang 11đường song song hay khía chữ V đặt rất gần nhau
được chế tạo trên một bề mặt gương của vật liệu
Phương trình cách tử cơ bản
gs= khoảng cách rãnh m= bậc của tia khúc xạ
số nguyên
) sin
Trang 12Số bậc của các tia khúc xạ được tạo ra phụ thuộc
vào mối quan hệ giữa khoảng cách rãnh với bước
Structural description
Cấu hình này sử dụng duy nhất một thấu kính (chứ không phải là 2 trong các cấu hình khác).
Cần phải sử dụng thấu kính để hội tụ ánh sáng vào các đầu sợi thích hợp Þ các thấu kính thường, các gương lõm và thấu kính GRIN đã được đề xuất. Bên cạnh đó, các cách tử có thể được khắc trên bề mặt của gương lõm.
Trong trường hợp trên, thấu kính GRIN được sử dụng. Cách tử có thể được gắn vào thấu kính GRIN (sử dụng keo phối hợp chỉ số khúc xạ) hoặc được chế tạo ngay trên bề mặt của chính thấu kính GRIN
Trang 13Một FBG là một bộ lọc lựa chọn bước sóng rất đơn giản, giá thành cực thấp. Nó có phạm vi ứng dụng rộng cải thiện chất lượng và giảm chi phí kết nối mạng quang.
FBGs
Một cách tử sợi Bragg chỉ là một mẩu sợi đơn mode thông thường dài vài cm. Cách tử được chế tạo từ việc biến đổi chỉ số khúc xạ của lõi dọc theo chiều dài của sợi. Ánh sáng có bước sóng nhất định lan truyền dọc sợi bị phản xạ ngược từ cách tử theo hướng mà
nó tới. Các bước sóng không được chọn được cho qua mà không có hoặc rất ít suy hao.
Đây là đặc tính quan trọng nhất của FBG – các bước sóng cộng hưởng bị phản xạ ngược trở lại nguồn và các bước sóng không cộng hưởng được truyền qua
mà không bị tổn hao. Đây là cách mà nó làm việc!
Trang 14phản xạ tại mỗi biên. Khi chu kỳ cách tử và bước
sóng ánh sáng bằng nhau thì có sự tăng cường và
công suất được ghép từ hướng đi sáng hướng về.
CÁC CÔNG NGHỆ WDM GHÉP SỢI
Trang 15Các bộ ghép định hướng sợi đã được nghiên cứu
chế tạo, dùng để chia quang và kết hợp quang.
Bộ ghép dựa trên việc mài bóng các sợi; cả hai sợi được gữa trong rãnh chữ V cong và được mài bóng cho tới khi các lõi sợi của chúng gần như lộ ra. Sau đó tiến hành cho chúng tiếp xúc với nhau để tạo ra bộ ghép.
Trang 16Bộ ghép thứ nhất tách đều tín hiệu vào thành 2 phần có
độ dịch pha khác nhau (khác nhau về độ dài nhánh) trước khi chúng giao thoa tại bộ ghép thứ 2.
Bộ ghép tích hợp 4 kênh sử dụng các bộ giao thoa MZ
Có thể dùng kết hợp vài bộ giao thoa MZ để tạo ra bộ ghép/giải ghép WDM (hình dưới)
Độ dịch pha (độ dài nhánh) được chọn sao cho công suất đầu vào tổng từ 2 cửa vào tại các bước sóng khác nhau chỉ xuất hiện ở một cửa ra.
Trang 17Một thiết bị WDM như vậy giống như một cặp
tách/ghép kênh hỗn hợp vì qui trình hoạt động của
nó đòi hỏi việc giải ghép tín hiệu WDM đầu vào,
Bất kỳ 1 bộ tách đã đề cập trước đây đều có thể
dùng để tạo các bộ ghép kênh xen/rẽ. Thậm chí ta
xạ xuất hiện tại cổng 4.
Ta có thể chèn vào 1 kênh bước sóng l g này vào qua cổng 3
Trang 182/26/2007 Optic Communication Systems 69
Bộ ghép sao quảng bá (star coupler)
Vai trò của bộ ghép sao là kết hợp các tín hiệu quang
tới từ các cổng vào của nó và chia đều tới các cổng ra.
Trái với bộ giải ghép, bộ ghép quảng bá không gồm
các phần tử lựa chọn bước sóng vì chúng không cần
tách các kênh riêng biệt.
Số lượng các kênh vào và ra không cần phải giống
nhau. Chẳng hạn như trong trường hợp truyền hình
Kỹ thuật này làm nóng chảy một số lượng các sợi và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt làm hai phần. Tín hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau
và chia đều tới các cổng ra.
Cấu trúc này hoạt động tốt với sợi đa mode.
Các bộ định tuyến bước sóng.
Bộ định tuyến bước sóng NxN là một thành phần WDM quan trọng. Nó kết hợp chức năng của một bộ ghép sao với các hoạt động ghép/tách kênh.
Các tín hiệu WDM tới từ N cổng vào được giải ghép vào các kênh riêng và chuyển tới N cổng ra của bộ router theo cách sao cho tín hiệu WDM tại mỗi cổng gồm các kênh từ các đầu vào khác nhau. Hoạt động này dẫn tới một dạng tách kênh tuần hoàn.
Nó là một bộ định tuyến thụ động vì không chứa các phần tử tích cực và được gọi là bộ định tuyến tĩnh vì không thể cấu hình lại.
Mặc dù bản chất tĩnh, nó có nhiều ứng dụng trong mạng WDM
Trang 19Bộ chuyển đổi bước sóng
Trang 20Các hệ thống phổ biến nhất hoạt động với tốc độ dữ liệu rất thấp. Các ứng dụng thông thường là truyền video cho giám sát an ninh và điều khiển quá trình trong các nhà máy.
Sparse WDM (tiếp …)
Trang 21Prob.: mất mát 3 dB sau mỗi chặng. Nếu có 32 tín hiệu thì công suất mỗi tín hiệu sau ghép sẽ giảm xuống 1/32 lần so với mức công suất ban đầu. Số kênh càng lớn thì cường độ của mỗi tín hiệu càng giảm. Nếu số lượng kênh lớn ta cần phải khuếch đại tín hiệu sau kết hợp ngay sau khi nó được trộn.
Các cách tử và cách tử dẫn sóng phẳng có tổn hao nhỏ hơn nhiều và tổn thất của chúng không phụ thuộc vào số kênh. Do
Khuếch đại là vấn đề chính. Khả năng khuếch đại tín hiệu sau trộn là một trong những yếu tố biến WDM thành hiện thực. Tuy nhiên, khi nhiều bộ KĐ được sử dụng trên 1 tuyến dài, tính phí tuyến của chúng cộng dồn lại và gây ra khó khăn đáng kể. Điều này đã được thảo luận trong phần “Đặc tính khuếch đại của EDFA”
Trang 22máy thu nonWDM. Sở dĩ như vậy do tín hiệu đã
được tách ra trước khi nó đến bộ tách sóng quang
detector.
Rõ ràng rằng mỗi kênh quang độc lập với các kênh
khác và miễn là các tín hiệu nằm trọn trong băng
tần được cấp phát thì không có mối quan hệ nào
nm. Phổ này được đo từ hệ thống hoạt động thực tiễn. Các tín hiệu này được ghép và tách vào sợi sử dụng mọt bộ ghép lựa chọn bước sóng.
II. Các thành phần của hệ thống WDM
Các nguồn sáng cho WDM
Ghép (kết hợp) ánh sáng (ghép kênh) Đường truyền
Tách ánh sáng (tách kênh) Các bộ ghép xenrẽ (adddrop multiplexers) Chuyển mạch phân chia không gian quang.
Các nút chuyển mạch Các bộ chuyển đổi bước sóng
Trang 23chỉ có duy nhất 1 vạch phổ. Có nghĩa là hoặc nó là 1 DFB
hoặc 1 DBR. Độ rộng vạch phụ thuộc vào số kênh trong hệ
thống và dung sai của các thành phần khác (như bộ
tách/ghép kênh cách tử). Rõ ràng vạch càng hẹp thì càng tốt,
nhưng thường phài cân nhắc giữa chi phí và lợi nhuận.
Độ ổn định bước sóng
Trong hầu hết các hệ thống cự ly xa (đơn kênh) ta cần các
laser vạch phổ hẹp, ổn đinh nhằm giảm thiểu các hiệu ứng
tán sắc và các vấn đề như nhiễu phân chia mode. Tuy nhiên,
trong 1 hệ thống WDM ta cần giảm thiểu sự thay đổi bước
sóng theo thời gian. Sự dịch 1 hoặc 2nm diễn ra trong vài
giây có thể không ảnh hưởng tới một hệ thống đơn kênh
thông thường nhưng nó sẽ làm hỏng một kênh WDM.
Key prob là trôi bước sóng laser theo thời gian (khoảng 1
hoặc 2 năm). Các mức năng lượng cao trong hốc laser và
trên các mặt gây ra sự xuống cấp vật liệu theo thời gian Þ
chỉnh nhanh máy thu hoặc máy phát là cần thiết cho hoạt động tổng thể của hệ thống.
là WAN) đầu phát sẽ được báo kênh (bước sóng) nào sẽ được sử dụng trước khi 1 kết nối được thiết lập. Khi đó nó cần điều chỉnh tới bước sóng đó. Trong trường hợp này điều chỉnh không cần nhanh nhưng phải thật chính xác.
Các laser có khả năng điều chỉnh (tiếp)
3. Trong phần lớn các hệ thống WDM hiện nay, khả năng điều chỉnh hoặc ở đầu thu hoặc ở đầu phát không bị đòi hỏi. Tuy nhiên, rất khó sản xuất lasers hoạt động chính xác ở bước sóng mong muốn. Điều phải làm là sản xuất hàng loạt và lựa chọn những lasers tình cờ hoạt động tại bước sóng ta muốn. Khả năng điều chỉnh giá thấp có thể giúp khắc phục vấn đề này và cả vấn đề di tần
Trang 242/26/2007 Optic Communication Systems 93
Các laser có nhiều bước sóng
Một biện pháp cho phép điều chỉnh rất nhanh là đặt
một số laser có bước sóng khác nhau cùng nhau trên
cùng một substrate. Điều chỉnh có thể được thực
hiện rất nhanh bằng cách lựa chọn laser nào phát.
Mặt khác, nhiều tín hiệu có thể phát đi đồng thời.
Khi ánh sáng được trộn, một lượng lớn bị tổn thất. Tổn thất này có thể được khắc phục bằng việc sử dụng cấu trúc cách tử dẫn sóng và chúng đang được nghiên cứu.
Do sự mất mát ánh sáng nên ta cần SOA để khuếch đại tín hiệu sau ghép. Điều này nảy sinh các vấn đề xuyên âm và bão hòa khi sử dụng SOA với nhiều
Trong hầu hết các thiết kế laser ta
nõ lực giảm số vạch phổ xuống duy nhất 1 vạch và giảm độ rộng của vạch đó. Ở đây ta muốn sửa laser FP để tạo ra các vạch phổ
có cùng biên độ với khoảng cách giữa các vạch mong muốn
