LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỆN ĐIỆN TỬ MẠNG THÔNG TIN QUANG

Tính trong suốt và các mạng toàn quang Một đặc trưng chính của dịch vụ lightpath được cung cấp bởi các mạng thế hệ thứ hai là dạng dịch vụ này có thể trong suốt đối với dữ liệu thật đư

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet Phần lớn những nhu cầu hiện nay liên quan đến việc truyền dữ liệu hơn là tiếng nói Số người sử dụng Internet ngày càng đông và thời gian mỗi lần truy cập thường kéo dài hơn nhiều lần một cuộc gọi điện thoại Bên cạnh đó, các doanh nghiệp cũng thường dựa vào các mạng tốc độ cao để điều hành công việc Những điều này đã tạo ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn, những đường truyền tốc độ cao, tin cậy và chi phí thấp

Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng được những yêu cầu trên Thông tin quang cung cấp băng thông lớn với tỉ lệ lỗi rất thấp (10-11) Bên cạnh dung lượng cao, môi trường quang còn cung cấp khả năng trong suốt Tính trong suốt cho phép các dạng dữ liệu khác nhau chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau Vì vậy, truyền thông quang được xem như là một kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng trong tương lai Tuy nhiên, băng thông quang rất lớn đối với một ứng dụng đơn lẻ Vì vậy, nó nên được chia sẻ giữa những người sử dụng với nhau bằng cách ghép nhiều kênh trên một đường truyền Kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và ghép kênh phân chia thời gian (TDM) Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn vì chi phí kỹ thuật và thiết bị để lắp đặt các hệ thống TDM tương đối cao Theo báo cáo, hệ thống TDM với dung lượng 10 Gbps được lắp đặt ở Nhật vào năm 1996 Các hệ thống WDM 40 Gbps đã được lắp đặt ở Bắc Mỹ Trong WDM, nhiều kênh được ghép trên một sợi quang sử dụng các bước sóng khác nhau

Một phương pháp ghép kênh khác là ghép kênh phân chia mã (CDM) Kỹ thuật này thực hiện mã hóa mỗi luồng thông tin bởi một mã trực giao với mã của các luồng thông tin khác cùng chia sẻ môi trường truyền (sợi quang) Kỹ thuật này không còn phổ biến từ sau những năm 80 vì những hạn chế về kỹ thuật như tốc độ điều chế và suy hao trong mã hoá cũng như giải mã cao Hơn nữa, ứng dụng của phương pháp này làm cho vấn đề tán sắc và đồng bộ trở nên xấu hơn vì thế dường như không còn thích hợp cho thông tin quang ngày nay

1 Các mạng quang

Ngoài việc cung cấp dung lượng khổng lồ, mạng quang còn mang lại một cơ sở hạ tầng chung mà qua đó các dịch vụ khác nhau được thực hiện Các mạng này cũng có khả năng phân phát băng thông một cách mềm dẻo khi cần thiết

Sợi quang cung cấp băng thông lớn hơn rất nhiều so với cáp đồng và ít nhạy đối với các loại nhiễu điện từ khác nhau và các hiệu ứng không mong muốn khác Do đó, nó trở thành một môi trường truyền dữ liệu với tốc độ hơn vài chục megabit trên giây qua những khoảng cách dài hơn một kilômet Sợi quang cũng là phương

tiện hay được dùng để thực hiện những kết nối tốc độ cao (gigabit trên giây hoặc cao hơn) khoảng cách ngắn bên trong những hệ thống lớn

Thống kê gần đây nhất từ Ủy ban truyền thông Liên Bang Mỹ cho biết sự triển khai của sợi quang ở khắp nơi Sợi quang ngày nay được triển khai rộng rãi trong tất cả các loại mạng viễn thông, có lẽ ngoại trừ khu dân cư Mặc dù được cung cấp đến nhiều doanh nghiệp, đặc biệt trong những thành phố lớn, sợi quang chưa được đưa đến nhà riêng, vì chi phí lắp đặt đường dây rất lớn

Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang tiến hoá qua vài chục thập niên cung cấp tốc độ bit ngày càng cao và qua những khoảng cách ngày càng dài hơn Hình 1.1 cho thấy sự gia tăng băng thông qua nhiều thời gian của các loại mạng khác nhau Sự phát triển mạnh mẽ này chủ yếu là do sự triển khai các hệ thống thông tin quang

Khi nói đến các mạng quang, chúng ta đang thực sự nói về hai thế hệ của chúng Ở thế hệ thứ nhất, sợi quang chủ yếu dùng cho truyền dẫn và cung cấp dung lượng Sợi quang cung cấp tỉ lệ lỗi bit thấp hơn và dung lượng cao hơn so với cáp đồng Tất cả chức năng chuyển mạch và mạng thông minh được điều khiển bằng điện tử Thí dụ cho các mạng quang thế hệ thứ nhất này là SONET (mạng quang đồng bộ), tương tự với mạng SDH (hệ phân cấp số đồng bộ), hình thành nên phần lõi của cơ sở hạ tầng viễn thông tương ứng ở Bắc Mỹ và Châu Aâu, Châu Á, cũng như các mạng doanh nghiệp khác như ESCON

Ngày nay chúng ta đang thấy sự triển khai của những mạng quang thế hệ thứ hai, nơi mà các chức năng chuyển mạch, định tuyến và sự thông minh được chuyển vào lớp quang học

2 Mạng quang thế hệ thứ hai

Sợi quang hiển nhiên trở thành một phương tiện truyền dẫn được ưa thích và ngày nay truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM được dùng rộng rãi trong

Hình 1.1: Sự gia tăng băng thông theo thời gian trong các loại mạng khác nhau

Long haul

Year 2000

mạng Những năm gần đây, người ta nhận ra rằng các mạng quang có khả năng

cung cấp nhiều chức năng hơn là chỉ truyền dẫn điểm nối điểm Những thuận lợi

chủ yếu đạt được bằng cách hợp nhất một vài chức năng chuyển mạch và định

tuyến đã được thực hiện điện tử vào phần quang của mạng Ví dụ như, khi tốc độ

dữ liệu ngày càng cao, việc xử lý dữ liệu bằng điện tử trở nên khó khăn hơn Giả

sử các thiết bị điện tử phải xử lý dữ liệu mỗi khối 53 bytes (chiều dài mỗi tế bào

trong phương thức truyền bất đồng bộ ATM) Trong một luồng dữ liệu 100Mb/s, ta

có 4,24 µs để xử lý một khối, trong khi với luồng 10Gb/s, khối này phải được xử lý

trong vòng 42,4 ns Trong các mạng thế hệ thứ nhất, thiết bị điện tử ở một nút phải

điều khiển không chỉ tất cả các dữ liệu dành cho nút đó mà còn tất cả các dữ liệu

đi xuyên qua nó đến các nút khác trong mạng Nếu dữ liệu có thể được định tuyến

trong miền quang, tải trọng các thiết bị điện ở các nút sẽ giảm đi đáng kể Đây là

một trong những nguyên nhân chính cho sự ra đời của các mạng quang thế hệ thứ

hai

Các mạng quang dựa vào mô hình này đang được triển khai Kiến trúc của

mạng được chỉ ra trong hình 1.2, ta gọi mạng này là một mạng định tuyến bước

sóng Mạng cung cấp những lightpath cho người sử dụng, như các thiết bị cuối

SONET hoặc các bộ định tuyến IP Lightpaths là các kết nối quang được mang từ

đầu cuối đến đầu cuối bằng một bước sóng trên mỗi tuyến trung gian Ở các nút

trung gian trong mạng, các lightpath được định tuyến và chuyển mạch từ tuyến này

sang tuyến khác Trong một số trường hợp, các lightpath cũng có thể được chuyển

từ một bước sóng này thành bước sóng khác dọc theo đường đi

IP router

SONET terminal

IP router

D C

Các lightpath trong mạng định tuyến bước sóng có thể sử dụng cùng bước sóng khi

nó không dùng chung một tuyến truyền dẫn nào Điều này cho phép cùng một bước sóng được sử dụng lại ở các phần khác nhau của mạng Ví dụ, ở hình 1.5 chỉ ra 6

lightpaths Lightpath giữa B và C, lightpath giữa D và E, và một trong những lightpaths giữa E và F không dùng chung tuyến liên kết nào trong mạng và vì thế

có thể được thiết lập sử dụng một bước sóng λ1 Đồng thời, lightpath giữa A và F

dùng chung một kết nối với lightpath giữa B và C nên phải sử dụng bước sóng khác

(λ2) Tương tự, hai lightpath giữa E và F phải được gán các bước sóng khác nhau

Chú ý rằng tất cả các lightpath này sử dụng cùng bước sóng trên mọi kết nối trong

đường đi của nó Đây là một sự ràng buộc mà ta phải giải quyết nếu ta không có đủ khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng Giả sử ta chỉ có hai bước sóng có sẵn

trong mạng và muốn thiết lập một lightpath mới giữa các nút E và F Không có chuyển đổi bước sóng, ta sẽ không thể thiết lập được lightpath này Nói cách khác,

nếu nút trung gian X có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng, thì ta có thể thiết lập

lightpath này sử dụng bước sóng λ2 trên tuyến EX và bước sóng λ1 trên tuyến XF Các phần tử mạng chính cho phép mạng quang hoạt động là các thiết bị cuối quang (OLTs), các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADMs) và các bộ kết nối chéo quang (OXCs) như chỉ ra trong hình 1.2 OLT ghép các bước sóng vào một sợi quang và tách một tập những bước sóng trên một sợi đơn vào các sợi riêng rẽ OLTs được sử dụng ở các đầu cuối của một liên kết WDM điểm nối điểm OADM thu vào các tín hiệu ở nhiều bước sóng và “rớt” có chọn lọc một số các bước sóng này trong khi cho những bước sóng khác đi qua Nó cũng thêm các bước sóng vào tín hiệu ghép đi ra một cách chọn lọc Một OADM có các cổng hai dây nơi các tín hiệu ghép WDM hiện diện và một số cổng nội bộ nơi mà các bước sóng được rớt và xen Một OXC về cơ bản thực hiện một chức năng tương tự như OADM nhưng với quy mô lớn hơn nhiều OXCs có số cổng lớn (từ vài chục đến vài nghìn) và có thể chuyển mạch những bước sóng từ một cổng vào đến cổng khác Cả OADMs và OXCs đều có thể kết hợp các khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong

Các mạng quang dựa vào kiến trúc được mô tả ở trên đã được triển khai OLTs được triển khai rộng rãi cho các ứng dụng điểm nối điểm OADMs hiện nay được

sử dụng trong các mạng đường dài và mạng tập trung OXCs bắt đầu được triển

khai trước trong các mạng đường dài vì dung lượng yêu cầu cao hơn trong các mạng này

3 Tính trong suốt và các mạng toàn quang

Một đặc trưng chính của dịch vụ lightpath được cung cấp bởi các mạng thế hệ

thứ hai là dạng dịch vụ này có thể trong suốt đối với dữ liệu thật được gửi trên

lightpath một khi nó được thiết lập Chẳng hạn như một tốc độ bit lớn nhất và nhỏ

nhất nào đó có thể được định rõ, dịch vụ có thể chấp nhận dữ liệu ở bất cứ tốc độ bit nào và bất cứ dạng nghi thức nào trong vòng giới hạn này Nó cũng có thể mang dữ liệu tương tự

Tính trong suốt trong mạng cung cấp nhiều thuận lợi Một điều hành viên có thể cung cấp các loại dịch vụ khác nhau sử dụng một cơ sở hạ tầng riêng rẽ Ta có thể

nghĩ điều này như là tính trong suốt của dịch vụ Thứ hai, nếu các nghi thức hoặc

tốc độ bit thay đổi, thiết bị đã triển khai trong mạng vẫn có khả năng hỗ trợ các

nghi thức hoặc tốc độ bit mới mà không cần một sự đại tu toàn bộ mạng Điều này

cho phép các dịch vụ mới được triển khai hiệu quả và nhanh chóng, trong khi các

dịch vụ cũ vẫn được thực hiện

Một ví dụ về mạng trong suốt loại này là mạng điện thoại Một khi cuộc gọi được thiết lập trong mạng điện thoại, nó cung cấp 4 Khz băng thông qua đó một người sử dụng có thể gửi nhiều dạng lưu lượng khác nhau như là tiếng nói, dữ liệu, hoặc fax Tính trong suốt cũng trở thành một nét đặc biệt trong các mạng quang thế hệ thứ hai

Một thuật ngữ khác liên quan đến các mạng trong suốt là khái niệm mạng toàn

quang Trong mạng này, dữ liệu đuợc mang từ nguồn đến nơi dưới dạng quang, mà

không phải trải qua bất cứ chuyển đổi quang-điện nào dọc theo đường đi Một cách

lý tưởng, mạng này sẽ hoàn toàn trong suốt Tuy nhiên, mạng toàn quang bị giới

hạn trong phạm vi của nó bởi nhiều thông số của lớp vật lý như là băng thông và các tỉ số tín hiệu trên nhiễu Ví dụ như các tín hiệu tương tự yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn nhiều so với các tín hiệu số Yêu cầu thật sự dựa vào định dạng điều chế được sử dụng cũng như tốc độ bit

Mặc dù chúng ta nói về các mạng quang, nhưng hầu như các mạng này luôn chứa một số thiết bị điện tử Trước hết, điện tử đóng một vai trò chủ yếu trong việc thực hiện các chức năng điều khiển và quản lý thông minh trong mạng Tuy nhiên, ngay cả trên đường đi của dữ liệu, trong hầu hết trường hợp, thiết bị điện tử cần thiết ở phần bên ngoài mạng để làm thích ứng tín hiệu đi vào mạng quang Trong nhiều trường hợp, tín hiệu không thể duy trì dưới dạng quang trên đường đi đến đích vì những giới hạn bị áp đặt bởi thiết kế lớp vật lý và phải tái tạo lại ở giữa Trong các trường hợp khác, tín hiệu cần phải được chuyển từ một bước sóng này sang bước sóng khác Trong tất cả các tình huống này, tín hiệu thường được chuyển từ dạng quang sang dạng điện và điện thành quang

Các bộ lặp điện tử sẽ làm giảm tính trong suốt của đường đi tín hiệu Có ba kỹ thuật tái tạo điện tử cho dữ liệu số Một tiêu chuẩn được gọi là tái tạo với định thời gian và định dạng được gọi là 3R Ở đây tốc độ bit được tách ra từ tín hiệu và tín hiệu được định thời gian lại Kỹ thuật này chủ yếu tạo ra một bản sao “mới” của tín hiệu ở mỗi bước tái tạo, cho phép tín hiệu đi qua một số rất lớn các bộ lặp Tuy nhiên, nó loại trừ tính trong suốt đối với tốc độ bit và các định chuẩn khung

Một phương pháp tái tạo các tín hiệu quang mà không cần định thời gian, được gọi là 2R, cung cấp tính trong suốt đối với các tốc độ bit mà không hỗ trợ dữ liệu tương tự hoặc các định dạng điều chế khác nhau Tuy nhiên, phương pháp này giới hạn số bước lặp cho phép, đặc biệt ở các tốc độ bit cao hơn, trên vài trăm Mbps Dạng tái tạo cuối cùng là 1R, trong đó tín hiệu đơn giản được nhận và phát lại mà không cần định thời gian và hình dạng Dạng tái tạo này cũng có thể xử lý dữ

liệu tương tự, nhưng hiệu quả của nó kém hơn hai dạng trên Vì lý do này, các mạng đang triển khai ngày nay sử dụng kỹ thuật 2R và 3R Tuy nhiên, các bộ khuếch đại này được dùng rộng rãi để khuếch đại tín hiệu trong miền quang mà không phải chuyển tín hiệu quang sang điện

Một mạng hoàn toàn trong suốt sẽ hỗ trợ các tín hiệu tương tự với các tốc độ bit và các nghi thức khung bất kỳ Tuy nhiên, như đã nói ở trên, xây dựng được một mạng loại này là điều không thực tế Ngày nay, một lựa chọn thực tiễn hơn là xây dựng mạng hỗ trợ các loại tín hiệu số khác nhau với tốc độ bit cực đại được định trước và một tập các định chuẩn khung riêng biệt, như là SONET và Gigabit Ethernet Mạng hỗ trợ nhiều định chuẩn khung khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc là kỹ thuật 2R trong mạng hoặc là cung cấp các thiết bị thích nghi 3R riêng biệt cho mỗi định ước khung Mạng này được vẽ trong hình 1.3

4 Chuyển mạch gói quang

Đến đây ta đã nói về mạng quang cung cấp các lightpath Các mạng này về

bản chất là các mạng chuyển mạch mạch Những nhà nghiên cứu cũng đang làm việc trên các mạng quang mà có thể thực hiện chuyển mạch gói trong miền quang Một mạng loại này có thể cung cấp các dịch vụ mạch ảo hoặc các dịch vụ datagram, rất giống các dịch vụ trong các mạng ATM và IP Với một kết nối mạch ảo, mạng cung cấp một kết nối chuyển mạch mạch giữa hai nút Tuy nhiên, băng thông được cấp trên kết nối có thể nhỏ hơn toàn bộ băng thông có sẵn trên một tuyến liên kết Ví dụ như, những kết nối riêng rẽ trong một mạng tốc độ cao tương lai có thể hoạt động ở 10Gbps, trong khi tốc độ bit truyền dẫn trên một bước sóng có thể là 100Gbps Vì vậy mạng phải hợp nhất một số dạng ghép kênh phân chia thời gian để kết hợp nhiều kết nối thành một tốc độ bit Ở những tốc độ này, có thể thực hiện ghép kênh trong miền quang dễ hơn trong miền điện

Một nút chuyển mạch gói quang được mô tả như trong hình 1.4 Mục đích là nhằm tạo ra các nút chuyển mạch gói với dung lượng cao hơn nhiều so với chuyển

OEO

Wavelength conversion OEO

OEO

Regeneration OEO

mạch gói điện tử Một nút này lấy một gói đi vào, đọc header của nó và chuyển nó đến một ngõ ra thích hợp Nút cũng có thể áp đặt một header mới trên gói Nó cũng phải xử lý tranh chấp cho các cổng ra Nếu hai gói đi vào trên các cổng khác nhau muốn đi ra trên cùng một cổng, một trong hai phải được đệm, hoặc gửi ra trên một cổng khác

Một cách lý tưởng, tất cả các chức năng bên trong nút đều được thực hiện trong miền quang, nhưng thực tế, một số chức năng nào đó như là xử lý header và điều khiển chuyển mạch phải thực hiện bằng điện tử Điều này là do khả năng xử lý bị giới hạn trong miền quang Bản thân phần header có thể được gửi ở một tốc độ bit thấp hơn so với dữ liệu cho nên nó có thể được xử lý điện tử

Nhiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cho phép các khả năng chuyển mạch gói ở các tốc độ mà không thể đạt được với chuyển mạch gói điện tử Tuy nhiên, các nhà thiết kế bị cản trởû bởi nhiều hạn chế về mặt xử lý tín hiệu trong miền quang Một yếu tố quan trọng là thiếu các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên quang để đệm Các bộ đệm quang được thực hiện bằng cách sử dụng một chiều dài sợi quang và những đường dây trễ đơn giản mà không phải là các bộ nhớ chức năng đầy đủ Chuyển mạch gói bao gồm một số lớn các phần mềm thời gian thực thông minh và phần cứng dành để điều khiển mạng và cung cấp các đảm bảo về chất lượng dịch vụ, các chức năng này khó thực hiện trong miền quang Một yếu tố khác là trạng thái tương đối mới của kỹ thuật chuyển mạch quang nhanh so với chuyển mạch điện tử Vì những lý do này, ngày nay chuyển mạch gói quang vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm

5 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn

Phần này giới thiệu và định nghĩa các thông số phổ biến liên quan đến hệ thống thông tin quang

5.1 Bước sóng, tần số, và khoảng cách kênh

Control Input

Switch Header

recognition

Header recognition

Output buffers

Khi nói đến các tín hiệu WDM là chúng ta đang nói về bước sóng hoặc tần số của các tín hiệu này Bước sóng λ và tần số f liên hệ với nhau qua công thức: c =

fλ

Trong đó c là tốc độ của ánh sáng trong không gian tự do và bằng 3 x 108 m/s Tốc độ ánh sáng trong sợi quang thật sự thấp hơn một chút (gần 2 x 108 m/s), do đó các bước sóng cũng khác nhau

Để mô tả một tín hiệu WDM, ta có thể sử dụng hoặc tần số hoặc bước sóng của nó Bước sóng được đo bằng đơn vị là nanomet (nm) hoặc micromet (µm hoặc microns) (1 nm = 10-9 m, 1 µm = 10-6 m) Các bước sóng ưa được dùng trong thông tin quang tập trung xung quanh 0.8, 1.3, và 1.55 µm Các bước sóng này nằm trong dải hồng ngoại, không thể nhìn thấy đối với mắt người Tần số được đo bằng đơn vị Hertz (hoặc số chu kỳ trên giây), tiêu biểu hơn là megahertz (1 MHz = 106 Hz), gigahertz (1 GHz = 109 Hz), hoặc Terahertz (1 THz = 1012 Hz) Sử dụng c = 3 x 108m/s, một bước sóng 1.55 µm sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz hay 193 x

1012 Hz

Một thông số được quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng cách giữa hai bước sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM Khoảng cách kênh có thể được đo bằng đơn vị của bước sóng hoặc tần số Mối liên hệ giữa hai đại lượng có

thể đạt được bắt đầu từ phương trình f = c / λ

Lấy vi phân phương trình này quanh một giá trị trung tâm λ0, ta được mối liên

hệ giữa khoảng cách tần số ∆f và khoảng cách bước sóng ∆λ là:

∆f = - c ∆λ / λ2

0

Ở bước sóng λ0 = 1550 nm, khoảng cách bước sóng 0.8 nm tương ứng một khoảng cách tần số 100Ghz, một khoảng cách tiêu biểu trong các hệ thống WDM Các tín hiệu thông tin số trong miền thời gian có thể được xem như chuỗi các xung định kỳ, mở hoặc tắt, phụ thuộc vào dữ liệu là 1 hay 0 Tốc độ bit đơn giản là nghịch đảo của chu kỳ Các tín hiệu này có một sự biễu diễn tương tự trong miền tần số, nơi mà năng lượng của tín hiệu trải dài qua một tập tần số Sự biễu diễn này được gọi là phổ công suất, hoặc đơn giản là phổ Băng thông tín hiệu là độ rộâng phổ của tín hiệu Băng thông cũng có thể được đo trong miền tần số hoặc trong miền bước sóng, nhưng hầu hết được đo trong miền tần số Lưu ý rằng chúng ta đang sử dụng thuật ngữ băng thông khá lỏng lẻo Băng thông và tốc độ bit của một tín hiệu số liên quan nhau nhưng không giống nhau một cách chính xác Băng thông thường được đo bằng kilohertz, megahertz hoặc gigahertz, trong khi đó tốc độ bit được tính bằng kilobit/giây (kb/s), megabit/giây(Mb/s), hoặc gigabit/giây (Gb/s) Mối liên quan giữa hai đại lượng phụ thuộc vào dạng điều chế được sử dụng Ví dụ như, một đường dây điện thoại cung cấp băng thông 4 kHz, nhưng kỹ thuật điều chế phức tạp cho phép chúng ta thực hiện một tốc độ bit 56kb/s qua đường dây điện thoại này Tỉ số của tốc độ bit với băng thông có sẵn được gọi là hiệu suất phổ Các hệ thống thông tin quang sử dụng các kỹ thuật điều chế khá đơn giản mà đạt được hiệu suất phổ khoảng 0.4 bits/s/Hz Vì thế hợp lý khi cho rằng một tín hiệu ở tốc độ 10Gb/s sử dụng băng thông xấp xỉ 25 Ghz Lưu ý rằng băng

thông tín hiệu cần đủ nhỏ hơn khoảng cách kênh; nếu không ta sẽ gặp các nhiễu không mong muốn giữa các kênh kế nhau và méo của chính tín hiệu

5.2 Các tiêu chuẩn bước sóng

Các hệ thống WDM ngày nay chủ yếu sử dụng vùng bước sóng 1.55 µm vì hai lý do: mất mát vốn có trong sợi quang thấp nhất ở vùng này, và các bộ khuếch đại xuất sắc sẵn có trong vùng đó Các bước sóng và tần số được sử dụng trong các hệ thống WDM được tiêu chuẩn hoá trên một lưới tần số bởi Hiệp Hội Viễn Thông Quốc Tế (ITU) Nó là một lưới vô tận tập trung ở 193.1 THz, một phần của nó được chỉ ra trong hình 1.5 ITU quyết định tiêu chuẩn hoá mạng lưới trong miền tần số dựa vào các khoảng cách kênh tương đương 50 GHz hoặc 100 GHz Quan sát thấy rằng nếu nhiều kênh được cách đều nhau theo bước sóng, thì sẽ không cách đều một cách chính xác trong miền tần số và ngược lại

Ngày nay, ta đang bắt đầu nhìn thấy những hệ thống sử dụng các khoảng cách kênh 25 GHz Chúng ta cũng đang thấy nhiều băng truyền dẫn được sử dụng Các hệ thống WDM trước đây sử dụng băng C, hoặc băng quy ước (xấp xỉ 1530-1565 nm) Sử dụng băng L, hoặc băng có bước sóng dài (xấp xỉ 1565-1625 nm), đã trở nên khả thi gần đây với sự phát triển của các bộ khuếch đại quang trong dải này

Nó được chứng minh rằng khó đạt được sự thoả thuận từ những nhà sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ WDM khác nhau trên những tiêu chuẩn bước sóng cụ thể hơn Các nhà sản xuất WDM khác nhau dùng các phương pháp khác nhau để tối ưu những thiết kế hệ thống của họ, vì thế kế hoạch hội tụ tại một bước sóng là điều khó khăn Tuy nhiên, tiêu chuẩn của ITU đã giúp tăng cường sự triển khai các hệ thống này

5.3 Công suất quang và mất mát

Trong thông tin quang, việc sử dụng đơn vị decibel (dB) để đo công suất và các mức tín hiệu gần như là phổ biến, trái với các đơn vị quy ước Lý do để làm điều

Signal bandwidth

Frequency (THz) 192.9

193.0 193.1

193.2 193.3

Wavelength(nm) 1554.134

1553.329 1552.524

11551.721 1550.918

Hình 1.5: Lưới tần số sử dụng trong hệ thống WDM được quy định bởi ITU

này là công suất thay đổi qua nhiều mức trong một hệ thống Điều này dễ giải quyết với một tỷ lệ logarit hơn là một thang đo tuyến tính Vả lại, sử dụng tỷ lệ này, các tính toán liên quan đến phép nhân trong miền quy ước trở thành các thao tác cộng trong miền decibel Các đơn vị Decibel được dùng để thể hiện các giá trị tương đối cũng như tuyệt đối

Để hiểu hệ thống này, ta xét một tuyến truyền dẫn sợi quang Giả sử ta phát một tín hiệu ánh sáng với công suất Pt watts (W) Dưới dạng đơn vị dB, ta có

(Pt )dBW = 10log(Pt )W

Trong nhiều trường hợp, đo công suất quang bằng miliwatts (mW) thuận tiện hơn và ta có một giá trị dBm là

(Pt )dBm = 10log(Pt )mW

Ví dụ như, một công suất 1 mW tương ứng 0 dBm hoặc –30dBW Một công suất

10 mW tương ứng với 10 dBm hoặc –20 dBW

Khi truyền qua sợi quang, tín hiệu ánh sáng sẽ suy hao; nghĩa là công suất nó bị giảm Ở đầu cuối của đường truyền, ta giả sử công suất nhận được là Pr Thì mất mát γ của đường truyền được định nghĩa là γ = Pr / Pt

Trong đơn vị dB, ta sẽ có

mạng toàn quang

Nhu cầu băng thông cao hơn: Ngày nay, các mạng xương sống Internet

đang được xây dựng với một nhịp độ rất nhanh Tốc độ tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu gấp 10 lần so với lưu lượng tiếng nói mỗi năm Người ta cho rằng lưu lượng tiếng nói tăng với tốc độ 13% mỗi năm trong khi lưu lượng dữ liệu tăng từ 7% đến 20% hàng tháng Hình 2.1 so sánh tốc độ tăng của dữ liệu và tiếng nói qua nhiều năm

Những nhà cung cấp dịch vụ hàng đầu dự báo rằng băng thông tăng gấp đôi trên các mạng xương sống khoảng 6 đến 9 tháng Không chỉ lưu lượng dữ liệu tăng ở tốc độ cao mà tính chất của lưu lượng cũng phức tạp Lưu lượng mang trên một mạng xương sống có thể bắt nguồn từ dữ liệu chuyển mạch mạch (tiếng nói TDM và fax), chuyển mạch gói (IP), hoặc các cell (ATM và

Hình 2.1: Tốc độ tăng dung lượng dữ liệu và tiếng nói theo thời gian

Frame Relay) Hơn nữa, có một phần dữ liệu nhạy với trễ như là VOIP và Video tăng dần

Những lựa chọn trong việc tăng băng thông: Đương đầu với những thách

thức về dung lượng gia tăng mạnh mẽ trong khi chi phí bị ràng buộc, các nhà cung cấp có hai sự chọn lựa: lắp đặt sợi quang mới hoặc làm tăng hiệu quả băng thông của những sợi có sẵn

Lắp đặt sợi mới là phương pháp truyền thống mà các được các nhà cung cấp sử dụng để mở rộng các mạng Tuy nhiên, triển khai sợi mới là một việc là tốn kém Người ta ước tính khoảng 70.000 đô trên một dặm, phần lớn là chi phí cho những giấy phép và xây dựng hơn là bản thân sợi quang

Làm tăng hiệu quả dung lượng của sợi đang sử dụng có thể được thực hiện bằng hai cách:

• Tăng tốc độ bit của những hệ thống đang tồn tại

• Tăng số bước sóng trên một sợi

liệu hiện nay thường được truyền dẫn ở 2,5 Gbps (OC-48) và tăng lên ở 10 Gbps (OC-192); những tiến bộ gần đây đã đưa đến các tốc độ cao hơn 40Gbps (OC-768) Tuy nhiên các mạch điện tử thực hiện được điều này sẽ phức tạp và tốn kém, cả trong việc mua sắm và bảo trì Thêm vào đó, có những phát sinh quan trọng về kỹ thuật có thể làm hạn chế tính ứng dụng của kỹ thuật này Ví dụ như, truyền dẫn ở tốc độ OC-192 qua một sợi quang đơn mode (SM), bị ảnh hưởng bởi tán sắc sắc thể gấp 16 lần so với tốc độ OC-48 Công suất truyền dẫn lớn hơn yêu cầu bởi tốc độ bit cao hơn cũng gây ra ảnh hưởng phi tuyến mà có thể làm ảnh hưởng chất lượng dạng sóng Cuối cùng là tán xạ mode phân cực, một ảnh hưởng khác làm hạn chế chiều dài xung ánh sáng có thể đi qua

vào một sợi riêng rẽ Sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM), nhiều bước sóng (còn gọi là các sắc ánh sáng) có thể ghép đồng thời các tín hiệu từ 2,5 đến 40 Gbps trên một sợi quang Không phải lắp đặt thêm sợi mới, hiệu quả dung lượng của sợi đang có thường có thể tăng từ 16 đến 32 Các hệ thống với 128 và 160 bước sóng được đưa vào hoạt động ngày nay

Sự tiến hoá của kỹ thuật ghép kênh đa bước sóng (DWDM): DWDM

chính là kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng với số bước sóng được ghép rất lớn (dày đặc) Cho đến cuối những năm 80, thông tin sợi quang chủ yếu còn hạn chế để truyền một kênh quang riêng lẻ Vì có liên quan đến suy hao sợi,

kênh này yêu cầu được tái tạo định kỳ, trong đó bao gồm tách sóng, xử lý điện tử, và phát lại tín hiệu quang Sự tái tạo này có thể sử dụng chỉ cho một bước sóng đơn lẻ Vào đầu những năm 90, các bộ khuếch đại quang được phát triển, cho phép thực hiện truyền dẫn tốc độ cao với ít bộ lặp hơn Nhiều bước sóng độc lập khác nhau có thể được truyền đồng thời qua một sợi để tận dụng hoàn toàn băng thông của sợi WDM là kỹ thuật tiến bộ cho phép truyền nhiều bước sóng trên một sợi đơn Trong truyền dẫn WDM, các kênh dữ liệu khác nhau được điều chế vào một sợi quang với những bước sóng tương ứng Toàn bộ băng thông được cung cấp trên sợi quang là tổng tất cả các băng thông được cung cấp bởi các kênh riêng rẽ

Kỹ thuật WDM đang được triển khai rộng rãi trên những liên kết điểm nối điểm trong các mạng ở Mỹ Tuy nhiên, WDM hứa hẹn những thuận lợi cho chuyển mạch và định tuyến cũng như truyền dẫn Các bộ kết nối chéo quang hiện đang được phát triển có thể chuyển một số lớn bước sóng từ một sợi ngõ vào đến một sợi quang ngõ ra Các kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối với

băng thông cố định, tốc độ cao được gọi là những lightpath có thể được thiết

lập giữa các nút khác nhau Mạng quang định tuyến bước sóng hi vọng được tiến hoá từ các hệ thống WDM truyền dẫn riêng rẽ đang tồn tại hình thành nên các lớp quang học trong những mạng tương lai Các lớp quang này sẽ cung cấp chuyển mạch, định tuyến, khôi phục trên cơ sở một bước sóng

1 Các kỹ thuật được dùng trong mạng MAN

Có một số kỹ thuật được dùng để truyền tải và đóng gói dữ liệu trong mạng thủ phủ Mục đích chính của những mạng này là cung cấp các dạng lưu lượng và tốc độ mới khác nhau Dưới đây là một số kỹ thuật được dùng trong mạng thủ phủ

a TDM:

TDM là một phương pháp ghép kênh phân chia thời gian nhằm tối ưu lưu lượng tiếng nói có thể mang qua một môi trường Trong mạng điện thoại trước khi TDM được phát minh, mỗi cuộc gọi yêu cầu một đường dây vật lý

WDM

Hình 2.2: Ghép kênh theo bước sóng

cho riêng nó Đây là một giải pháp đắt tiền Dùng kỹ thuật ghép kênh, nhiều hơn một cuộc gọi có thể được gửi trên một đường truyền vật lý

TDM làm tăng dung lượng đường dây truyền dẫn bằng cách chia thời gian thành những khoảng nhỏ hơn do đó các bit từ nhiều nguồn khác nhau có thể được mang đi trên một tuyến, làm tăng hiệu quả số các bit được truyền trên giây

Trong TDM, dữ liệu vào được phục vụ theo kiểu xoay vòng Mỗi khe thời gian được dự trữ ngay cả khi không có dữ liệu để gửi, do vậy hiệu quả kém Vấn đề này được giảm bớt bằng cách ghép kênh thống kê sử dụng trong mode truyền dẫn bất đồng bộ (ATM) Mặc dù ATM tận dụng băng thông tốt hơn, nhưng lại có những hạn chế thực tế đối với tốc độ có thể đạt được vì những xử lý điện tử yêu cầu cho việc phân tách và tập hợp lại các tế bào ATM mang dữ liệu

b SONET:

Công nghệ Viễn thông đã thông qua mạng quang đồng bộ (SONET) hoặc tiêu chuẩn phân cấp số đồng bộ (SDH) cho truyền tải quang hay dữ liệu TDM SONET được sử dụng ở Bắc Mỹ, còn SDH được sử dụng ở nơi khác, là hai chuẩn liên quan chặt chẽ với nhau định rõ các thông số giao tiếp, tốc độ, định dạng khung, phương pháp ghép kênh và quản lý cho TDM đồng bộ SONET/SDH lấy các luồng n bit, ghép chúng lại, điều chế quang tín hiệu và sử dụng một thiết bị phát ra ánh sáng để gửi nó ra ngoài trên sợi quang với một tốc độ bit tương đương với (tốc độ bit đi vào) x n Vì vậy lưu lượng đi đến bộ ghép kênh SONET từ bốn nơi với tốc độ 2,5 Gbps sẽ đi ra như một luồng đơn ở tốc độ 4 x 2,5 Gbps = 10 Gbps Nguyên tắc này được minh hoạ trong hình 2.4

Đơn vị đầu tiên được dùng trong ghép kênh các cuộc gọi điện thoại là 64

kbps, biểu thị cho một khe thời gian (time slot) Ghép hai mươi bốn (ở Bắc

Mỹ) hoặc ba mươi hai (ở Châu Âu) khe thời gian này sử dụng kỹ thuật ghép kênh TDM tạo thành một luồng tín hiệu tốc độ bit cao hơn (1,544 Mbps hoặc 2,048 Mbps) để truyền qua các đường T1 và E1 tương ứng

SONET cung cấp băng thông khổng lồ dựa trên nhiều tốc độ từ STS-1 ở 51,84 Mbps đến STS-192/STM-64 ở 10Gbps OC-768 (40Gbps) chưa được phổ biến SONET/SDH là nền tảng của các mạng MAN qua nhiều thập niên như là một lớp chuyển vận cơ bản cho cả chuyển mạch mạch TDM và một phần các mạng dữ liệu

SONET/SDH có một số các trở ngại Như với TDM, khái niệm về độ ưu tiên và tắc nghẽn không tồn tại trong SONET hoặc SDH Ghép kênh phân cấp số cũng cứng nhắc như vậy Chẳng hạn như, nấc tiếp theo của TDM 10Gbps (STS-192) là 40Gbps (STS-768) Vì hệ phân cấp số được tối ưu cho lưu lượng tiếng nói, nên sẽ không hiệu quả khi mang lưu lượng dữ liệu với các khung SONET Ngược lại, DWDM, có thể chuyển tải bất cứ nghi thức nào, kể cả SONET, mà không cần sự đóng gói đặc biệt nào Hơn nữa việc lắp đặt SONET/SDH khá là đắt tiền

c ATM:

Mode chuyển tải bất đồng bộ ATM là một kỹ thuật chuyển mạch sử dụng

các tế bào (cell) kích thước nhỏ, cố định ATM là một kỹ thuật kết nối định hướng Khái niệm bất đồng bộ muốn nói rằng các cells được truyền dẫn xuyên qua mạng theo nhu cầu Các cells ATM nhỏ (53 bytes) so với các gói

mạng nội bộ có chiều dài thay đổi Thông tin trong phần đầu (header) và

phần tải (payload) luôn ở cùng một nơi làm cho việc điều khiển cells rất đơn giản Vả lại, các cells ATM không cần phải đệm vì chiều dài của chúng cố

định ATM có thể gói gọn các giao thức và các dạng dữ liệu khác nhau thành một định dạng chung mà có thể truyền qua một hạ tầng SONET

d Gigabit Ethernet:

Ethernet là nghi thức dùng cho mạng nội bộ phổ biến nhất trên thế giới Ethernet nhanh, có tốc độ lên đến 100 Mbps, mang lại một lựa chọn hiệu qủa về kinh tế cho các kết nối máy chủ và xương sống Vì là kết quả cải tiến từ chuẩn Ethernet, nó cho phép các mạng Ethernet hiện có dễ dàng nâng cấp

Gigabit Ethernet (GE) xây dựng trên nghi thức Ethernet, nhưng tăng tốc độ gấp mười lần Ethernet nhanh đến 1000 Mbps, hoặc 1 Gbps Nghi thức này được tiêu chuẩn hoá vào tháng sáu năm 1998, chiếm ưu thế trong các mạng nội bộ tốc độ cao và kết nối máy chủ Gigabit Ethernet tương đối không đắt tiền so với các kỹ thuật khác mà cũng cung cấp cùng tốc độ tốc độ

truyền dẫn, nhưng nó không mang lại sự đảm bảo về chất lượng dịch vụ hoặc chịu đựng được lỗi

e FDDI:

FDDI là công nghệ mạng cao tốc do ANSI phát triển Ban đầu FDDI được thiết kế cho cáp quang nhưng ngày nay nó cũng hỗ trợ cáp đồng trục với khoảng cách ngắn hơn Chuẩn này được dùng phổ biến trên mạng LAN FDDI có tốc độ 10 Mbps, dùng đồ hình vòng kép dự phòng, hỗ trợ 500 nút với khoảng cách cực đại 100 km Với khoảng cách này, FDDI cũng được dùng cho mạng MAN

f WDM:

WDM làm tăng khả năng truyền tải của môi trường vật lý (sợi quang) bằng cách dùng một phương pháp hoàn toàn khác với TDM WDM gán cho các tín hiệu quang đi vào các tần số ánh sáng (bước sóng) riêng biệt trong vòng một dải tần nào đó, và ghép các bước sóng trên một sợi quang Các tín hiệu được phân kênh ở phía thu Giống như TDM, dung lượng là tập hợp của các tín hiệu ngõ vào, nhưng WDM mang mỗi tín hiệu vào độc lập với những tín hiệu khác Do vậy, mỗi kênh sẽ có băng thông được dành riêng; tất cả các tín hiệu đến nơi cùng lúc, không cần phải chia ra và mang đi trong từng khe thời gian

2 Những nhu cầu trong mạng vùng rộng và DWDM

Các yêu cầu chính đối với hệ thống DWDM trong một mạng MAN gồm có:

• Hỗ trợ đa giao thức

• Tính tin cậy

• Tính mở (các giao diện, quản lý mạng, các dạng sợi chuẩn, khả năng tương thích điện từ)

• Lắp đặt và quản lý dễ dàng

• Mang lại lợi nhuận

Ngoài băng thông, các thuận lợi về kỹ thuật hấp dẫn nhất của DWDM có thể được tóm tắt như sau:

• Tính trong suốt – vì DWDM là một kiến trúc lớp vật lý, nó có thể hỗ trợ cả TDM và các định dạng dữ liệu như ATM, Gigabit Ethernet, ESCON với các giao diện mở qua một lớp vật lý chung

• Cung cấp linh động – cung cấp các kết nối nhanh, đơn giản, linh động trong mạng làm cho những nhà cung cấp dịch vụ có khả năng cung cấp các dịch vụ băng thông lớn hằng ngày

CHƯƠNG 3

TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SỢI QUANG

Sợi quang là một môi trường truyền thông đặc biệt so với các môi trường khác như cáp đồng hay không gian tự do Một sợi quang cho suy hao thấp trên một phạm

vi tần số rất lớn tối thiểu là 25 THz, thậm chí cao hơn với các sợi đặc biệt Băng thông này đủ để mang hàng trăm triệu cuộc gọi đồng thời, hoặc hàng chục triệu trang Web trên giây Đặc tính này cho phép tín hiệu được truyền qua những khoảng cách xa ở tốc độ cao trước khi cần khuếch đại hay tái lặp lại Vì thế, các hệ thống thông tin sợi quang được sử dụng rộng rãi ngày nay

Vì các hệ thống truyền dẫn mở rộng ra cho những khoảng cách xa và các tốc độ bit cao hơn, tán sắc trở thành một yếu tố hạn chế quan trọng Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu lan truyền với những tốc độ khác nhau trong sợi quang Đặc biệt, tán sắc sắc thể chỉ hiện tượng các thành phần tần số (hay bước sóng) khác nhau của tín hiệu lan truyền trong sợi với những vận tốc khác nhau Trong hầu hết trường hợp, tán sắc dẫn đến sự mở rộng xung và vì thế các xung tương ứng với các bit gần kề sẽ xen nhiễu nhau Hiện tượng này được gọi là ISI Mặt khác, các hệ thống cũng tiến hoá với số bước sóng lớn hơn, ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang bắt đầu đưa ra những hạn chế nghiêm trọng

1 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang

Một sợi quang gồm có một lõi hình trụï được bao quanh bởi một lớp vỏ Cả phần lõi và phần vỏ được làm chủ yếu từ silica (SiO2), có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1.45 Chỉ số khúc xạ của vật liệu là tỉ số tốc độ ánh sáng trong chân không so với tốc độ ánh sáng trong vật liệu đó Trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất nào đó được đưa vào trong lõi hoặc vỏ để cho chỉ số khúc xạ trong lõi hơi cao hơn của vỏ Các nguyên liệu như germani hoặc photpho làm tăng chỉ số khúc xạ của silica và được dùng làm chất thêm vào cho phần lõi, trong khi chất Bo hoặc Flo làm giảm chỉ số khúc xạ của silica nên được dùng làm tạp chất cho lớp vỏ

Ánh sáng có thể được xem như một chùm tia truyền theo những đường thẳng trong một môi trường và bị phản xạ hoặc khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác nhau Hình 2.1 chỉ ra giao diện giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ là n1 và n2 Một tia sáng từ môi trường 1 tới mặt phân cách của môi trường 1 với môi trường 2 Góc tới là góc giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung giữa hai môi trường được biểu thị là θ1 Phần năng lượng bị phản xạ vào môi trường 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đi xuyên qua môi trường 2 là một tia khúc xạ Góc phản xạ θ1r là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến của giao diện; tương tự, góc khúc xạ θ2 là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến θ1r = θ1

Theo định luật Snell : n1sinθ1 = n2 sinθ2

Khi góc tới θ1 tăng lên, góc khúc xạ θ2 cũng tăng Nếu θ2 = 900, thì sinθ1 = n2/n1 Lúc đó θ1 được gọi là góc tới hạn có giá trị θc = sin-1(n2/n1) ; với n1 > n2

Với những giá trị θ1 > θc , sẽ không có tia khúc xạ, và tất cả năng lượng từ tia tới được phản xạ hết Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần

Như vậy, điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:

• Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết quang lớn sang môi trường có chiết quang kém hơn

• Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

Ánh sáng truyền trong sợi quang do hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra ở bề mặt giữa phần lõi và vỏ Hình 2.2 mô tả ánh sáng được ghép từ môi trường bên ngoài (không khí với chiết suất n0) vào sợi

2 Cấu trúc một số sợi quang cơ bản

Sợi quang thực chất là một sợi thủy tinh nhỏ hoạt động như một ống dẫn sóng cho phép truyền các sóng điện từ như ánh sáng Cấu trúc hai lớp của sợi quang nhằm đảm bảo được sự lan truyền ánh sáng trong sợi

Một trong những khó khăn chính của truyền thông quang là sự suy giảm tín hiệu truyền trong sợi Suy giảm tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, tuy nhiên lượng suy giảm phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu Có ba cửa sổ suy hao thấp nằm trong dải bước sóng hồng ngoại là 0.8, 1.3 và 1.55 µm Suy hao ít nhất khoảng 0.25 dB/km trong dải 1.5 µm nên được dùng trong các ứng dụng khoảng cách xa, và khoảng 0.5 dB/km trong dải 1.3 µm được dùng chủ yếu ở các ứng dụng nội bộ, tốc độ cao Những sợi này cho phép truyền những tín hiệu ánh sáng qua những khoảng cách dài hàng chục km trước khi cần phải tái tạo lại Một mode trong sợi quang tương ứng với một trong nhiều đường đi mà sóng mà sóng có thể truyền xuyên qua

Hình 2.1: Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường

sợi Nói chung, khi đường kính của lõi lớn sẽ cho nhiều mode truyền sóng hơn Sợi quang đa mode có đường kính lõi khoảng 50 µm đến 85 µm Loại sợi này thuận lợi trong việc tiếp nhận ánh sáng từ nguồn Do đó có thể sử dụng các nguồn ánh sáng không đắt như diot phát quang (LED) Tuy nhiên, sợi đa mode có bất lợi là tạo ra hiện tượng tán xạ mode Do mỗi mode truyền với một tốc độ khác nhau sẽ đến đầu cuối với những tốc độ khác nhau, kết quả là xung bị trải ra trong miền thời gian Do vậy, sợi đa mode được dùng ở những ứng dụng khoảng cách ngắn Một cách để làm hạn chế hiện tượng tán xạ này là làm giảm số mode bằng cách giảm đường kính lõi Với đường kính lõi khoảng 8 –10 µm, ta có sợi đơn mode Sợi đơn mode loại trừ hiện tượng tán xạ, vì thế cho phép truyền qua những khoảng cách rất xa Tuy nhiên, để ghép ánh sáng vào sợi, cần phải sử dụng những thiết bị đắt tiền như laser

3 Phân tích ảnh hưởng của sợi quang

3.1 Suy hao của sợi quang và băng thông

b Đặc tuyến suy hao:

Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tùy thuộc vào loại sợi Hình 2.3 cho thấy suy hao trong silica như là một hàm theo bước sóng Ta thấy rằng suy hao nhỏ nhất ở ba dải bước sóng dùng cho truyền thông quang: 0.8 µm, 1.3 µm, và 1.55 µm Dựa vào đặc tính của những bộ khuếch đại, dải 1.55 µm được chia thành ba vùng, được vẽ trong hình 2.4

1.6 1.4

1.2 1.0

Wavelength, λ (µm)

3.2 Tán sắc trong sợi quang

Tán sắc là sự mở rộng thời gian của một xung khi nó lan truyền qua sợi quang Tán sắc làm giới hạïn khoảng cách bit và tốc độ truyền cực đại trên một kênh thông tin quang

Như đã đề cập ở trên, tán sắc xảy ra khi nhiều mode của cùng một tín hiệu truyền ở những vận tốc khác nhau dọc theo sợi quang, tán sắc loại này được gọi là tán sắc mode Tán sắc mode không xảy ra trong sợi đơn mode

Một dạng tán sắc khác là tán sắc vật liệu hay tán sắc màu Trong một môi trường phân tán, chỉ số khúc xạ là một hàm của bước sóng Vì vậy, nếu tín hiệu truyền dẫn bao gồm nhiều bước sóng, một số bước sóng nào đó sẽ truyền nhanh hơn các bước sóng khác Vì không có laser nào có thể tạo ra một tín hiệu bao gồm chính xác một bước sóng, hay nói khác đi, vì bất cứ thông tin nào mang tín hiệu cũng có độ rộng phổ khác không, tán sắc vật liệu sẽ luôn xảy ra trong hầu hết các hệ thống

Một dạng tán sắc thứ ba là tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng bị gây

ra là vì sự truyền sóng các bước sóng khác nhau phụ thuộc các đặc điểm của ống dẫn sóng như là các chỉ số và hình dạng của lõi và vỏ sợi

Ở 1300 nm, tán sắc vật liệu trong một sợi quang đơn mode quy ước gần bằng không Mặt khác, hầu hết các hệ thống thông tin quang hoạt động ở dải tần số 1550

nm (vì suy hao thấp hơn ở vùng này) Nhờ những kỹ thuật tiên tiến như là dịch tán sắc, các sợi với tán sắc gần bằng không ở bước sóng giữa 1550 nm có thể được chế tạo Trong một sợi dịch tán sắc, phần lõi và vỏ được thiết kế sao cho tán sắc ống dẫn sóng phủ định với tán sắc vật liệu, vì thế tán sắc tổng cộng gần như bị triệt tiêu (bằng không)

3.3 Các ảnh hưởng phi tuyến

0.30 0.28 0.26 0.24 0.22

0.20

1650

1600 1550

Các ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang có khả năng gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng trong việc thực hiện các hệ thống thông tin quang WDM Aûnh hưởng phi tuyến có thể dẫn đến suy hao, méo dạng và nhiễu xuyên kênh Trong một hệ thống WDM, hiệu ứng này đặt ra những ràng buộc về khoảng cách giữa các kênh bước sóng liên tiếp nhau, hạn chế công suất cực đại trên bất cứ kênh nào, và vì thế cũng hạn chế tốc độ bit cực đại

Có hai dạng ảnh hưởng phi tuyến Dạng thứ nhất xuất hiện do sự tương tác giữa các sóng ánh sáng với sự rung động phân tử trong môi trường silica – một trong nhiều dạng của hiệu ứng khuếch tán Có hai dạng khuếch tán chính là khuếch tán tích lũy Brillouin (SBS) và khuếch tán tích lũy Raman (SRS)

Loại ảnh hưởng phi tuyến thứ hai xuất hiện do sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ vào cường độ quang của các tín hiệu quang truyền xuyên qua sợi Vì vậy, pha của ánh sáng ở bộ thu sẽ phụ thuộc vào pha ánh sáng được gửi từ bên phát, chiều dài sợi, và cường độ quang Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng nhất loại này gồm có: tự điều chế pha (SPM), và trộn bốn bước sóng (FWM)

a Tự điều chế pha (SPM):

Tự điều chế pha gây ra bởi sự biến đổi công suất của một tín hiệu quang và kết quả là làm biến đổi pha của tín hiệu Lượng dịch pha gây ra bởi SPM là:

φNL = n2 k 0 L|E|2

Trong đó n 2 là hệ số phi tuyến cho chỉ số khúc xạï, k 0 = 2π/λ, L là chiều dài sợi, và |E|2 là cường độ quang Trong các hệ thống khoá dịch pha (PSK), SPM có thể làm hạ phẩm chất hệ thống, vì đầu thu phụï thuộc vào thông tin pha SPM cũng dẫn đến giãn độ rộng phổ các xung Những thay đổi tức thì trong một pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ tín hiệu sẽ dẫn đến những thay đổi tức thời về tần số xung quanh tần số trung tâm của tín hiệu Đối với những xung rất ngắn, các thành phần tần số thêm vào tạo ra bởi SPM kết hợp với các hiệu ứng tán sắc vật liệu cũng làm cho xung bị trải ra hoặc nén lại trong miền thời gian, ảnh hưởng tốc độ bit cực đại và tỉ lệ lỗi bit

b Điều chế xuyên pha (XPM):

XPM là sự dịch pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ của một tín hiệu truyền ở một bước sóng khác XPM có thể làm phổ mở rộng bất đối xứng, và kết hợp với SPM và tán sắc, cũng có thể ảnh hưởng đến hình dạng xung trong miền thời gian

Mặc dù XPM có thể làm hạn chế việc thực hiện các hệ thống sợi quang, nó cũng có một số ứng dụng quan trọng XPM có thể dùng để điều chế một tín hiệu

“bơm” ở một bước sóng từ một tín hiệu được điều chế trên một bước sóng khác Các kỹ thuật này có thể được dùng trong các thiết bị chuyển đổi bước sóng

c Khuếch tán tích lũy Raman (SRS):

Khuếch tán tích lũy Raman gây ra do sự tương tác ánh sáng với những phân tử Ánh sáng đi vào gặp những phân tử tạo ra ánh sáng khuếch tán ở một bước sóng dài hơn bước sóng ban đầu Một phần ánh sáng di chuyển trong sợi tích cực Raman

bị dịch xuống vùng tần số thấp hơn Ánh sáng được tạo ra ở tần số thấp hơn được gọi là Stokes wave Phạm vi tần số chiếm bởi Stokes wave được xác định bởi phổ độ lợi Raman thấp hơn tần số ánh sáng đi vào khoảng 40 THz Trong sợi silica, Stokes wave có một độ lợi cực đại ở tần số thấp hơn tần số tín hiệu ngõ vào khoảng 13.2 THz

Phần công suất truyền cho sóng Stokes tăng nhanh khi công suất tín hiệu ngõ vào tăng Khi công suất ngõ vào rất cao, SRS sẽ làm cho hầu hết tất cả các công suất tín hiệu ngõ vào chuyển sang sóng Stokes

Trong các hệ thống đa bước sóng, các kênh bước sóng ngắn hơn sẽ mất một số công suất cho mỗi kênh bước sóng cao hơn trong phổ độ lợi Raman Để giảm lượng mất mát, công suất trên mỗi kênh cần phải thấp hơn một mức nào đó Người ta chứng minh rằng, trong một hệ thống 10 kênh với khoảng cách kênh 10 nm, công suất trên mỗi kênh nên được giữ thấp hơn 3 mW để tối thiểu

hoá các ảnh hưởng của SRS

d Khuếch tán tích luỹ Brillouin (SBS):

SBS tương tự như SRS, ngoại trừ dịch tần số bị gây ra bởi các sóng âm thanh chứ không phải là sự dao động phân tử Các đặc điểm khác của SBS là các sóng Stokes truyền theo hướng ngược lại với ánh sáng đi vào, và SBS xảy ra ở công suất ngõ vào tương đối thấp cho các xung rộng (lớn hơn 1 µs), nhưng lại ảnh hưởng không đáng kể đối với các xung ngắn (ngắn hơn 10 ns) Cường độ ánh sáng khuếch tán trong SBS lớn hơn nhiều trong SRS, nhưng phạm vi tần số của SBS trong tầm

10 GHz thấp hơn nhiều so với SRS Độ lợi băng thông của SBS cũng chỉ trên 100 MHz

Để ngăn các ảnh hưởng của SBS, công suất ngõ vào phải dưới một mức ngưỡng nào đó Trong các hệ thống đa bước sóng, khuếch tán tích lũy Brillouin cũng gây ra xuyên kênh giữa các tín hiệu

e Trộn bốn bước sóng (FWM):

Trộn bốn bước sóng xảy ra khi hai bước sóng, hoạt động ở các tần số f1 và f2, trộn với nhau để tạo ra các tín hiệu 2f1 – f2 và 2f2 – f1 Các tín hiệu thêm vào, cũng có thể gây nhiễu nếu chúng trùng với các tần số dùng để truyền dữ liệu Tương tự, trộn cũng có thể xảy ra giữa sự kết hợp của ba bước sóng hoặc nhiều hơn Aûnh hưởng của FWM trong các hệ thống WDM có thể giảm xuống bằng cách sử dụng các kênh được cách nhau không đồng đều

FWM có thể được dùng để cung cấp chuyển đổi bước sóng

CHƯƠNG 4 CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG

Trong thông tin quang, tín hiệu quang (ánh sáng) được phát đi ở nguồn truyền qua môi trường truyền thông là sợi quang để đến nơi thu Kỹ thuật điều chế được

sử dụng phổ biến nhất là điều chế OOK (on-off keying) Tín hiệu vào được phát

hiện trực tiếp ở bộ thu và việc quyết định được dựa vào năng lượng tích luỹ trong một thời khoảng bit

Một hệ thống thông tin quang cơ bản gồm có những thành phần như: các bộ nối, bộ phát quang, bộ thu quang, các bộ khuếch đại quang các chuyển mạch, các bộ lọc, các bộ ghép và tách kênh quang Hình 4.1 cho thấy những thành phần của một hệ thống thông tin quang với một bộ khuếch đại

1 Các bộ ghép (Couplers)

Một bộ ghép định hướng được dùng để kết hợp và chia các tín hiệu trong một mạng quang Một bộ ghép 2 x 2 bao gồm hai cổng vào và hai cổng ra, như chỉ ra trong hình 4.2 Các bộ ghép được sử dụng rộng rãi nhất được làm bằng cách nối hai sợi với nhau ở giữa Chúng cũng có thể được chế tạo bằng cách dùng ống dẫn sóng Bộ ghép lấy một phần nhỏ công suất (α) từ ngõ vào 1 để đưa ra ngõ ra 1 và phần còn lại (1-α) đưa ra ngõ 2 Tương tự, phần công suất (1-α) từ ngõ vào 2 được phân phối đến ngõ ra 1, phần còn lại (α) đến ngõ ra 2 Ta gọi α là tỉ số ghép

Hình 4.1: Hệ thống thông tin quang

Hình 4.2: Bộ ghép định hướng

Nguyên lý hoạt động: khi hai ống dẫn sóng được đặt gần nhau, ánh sáng sẽ

“ghép” từ ống dẫn sóng này sang ống dẫn sóng kia Đây là do các mode truyền sóng của ống dẫn sóng kết hợp khá khác với mode truyền sóng của một ống dẫn sóng đơn lẻ Khi hai ống dẫn sóng giống hệt nhau, ánh sáng được phóng vào một ống sẽ ghép sang ống khác hoàn toàn và sau đó quay về ống ban đầu một cách định kỳ

Bộ ghép là một thiết bị đa năng và có nhiều ứng dụng trong một mạng quang Ứng dụng đơn giản nhất là kết hợp hoặc phân chia các tín hiệu trong mạng Ví dụ như một bộ ghép có thể dùng để phân phối một tín hiệu ngõ vào tương đương cho

hai cổng ra nếu chiều dài ghép, l, được hiệu chỉnh sao cho nửa công suất từ mỗi

ngõ vào xuất hiện ở mỗi ngõ ra Bộ ghép này được gọi là bộ ghép 3 dB Một bộ

ghép hình sao n x n là một thiết bị n ngõ vào, n ngõ ra với đặc điểm là công suất từ

mỗi ngõ vào được chia đều giữa tất cả các ngõ ra Bộ ghép n x n có thể được thiết kế bằng cách kết nối thích hợp một số các bộ ghép 3 dB Bộ ghép hình sao có ích khi nhiều thông tin cần được kết hợp và truyền thông

Bộ ghép có thể được thiết kế phụ thuộc vào bước sóng, nghĩa là hệ số ghép của nó sẽ phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu Các bộ ghép loại này được sử dụng rộng rãi để ghép các tín hiệu ở bước sóng 1310 nm và 1550 nm vào một sợi quang mà không bị suy hao Trong trường hợp này, tín hiệu 1310 nm trên ngõ vào 1 đi xuyên qua ngõ ra 1, trong khi tín hiệu 1550 nm trên ngõ vào 2 cũng đi xuyên qua ngõ ra 1

2 Bộ cách ly (isolators) và bộ truyền (circulators)

Bộ ghép và các thiết bị quang thụ động khác là những thiết bị thuận nghịch, chúng sẽ hoạt động giống nhau một cách chính xác nếu ngõ vào và ngõ ra được đảo lại Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống có một nhu cầu đối với các thiết bị thụ động không thuận nghịch Bộ cách ly là một ví dụ cho loại thiết bị này Chức năng chính của nó là cho phép truyền dẫn một hướng xuyên qua nó nhưng chặn hướng ngược lại Bộ cách ly được sử dụng trong hệ thống ở ngõ ra của các bộ khuếch đại quang và lasers chủ yếu để ngăn sự phản xạ từ những nguồn đi vào thiết bị làm giảm chất lượng hệ thống Hai thông số chính của một bộ cách ly là hệ số suy hao

(insertion loss), là mất mát theo hướng gửi tới, nên càng nhỏ càng tốt; và hệ số cách ly (isolations), là suy hao theo hướng ngược lại, càng lớn càng tốt Hệ số suy

hao tiêu biểu gần 1 dB, còn hệ số cách ly gần 40-50 dB

Một bộ truyền (circulator) tương tự như một bộ cách ly, ngoại trừ nó có nhiều

cổng, điển hình là ba hoặc bốn cổng, như được vẽ trong hình 4.3 Trong bộ truyền 3 cổng, một tín hiệu ngõ vào trên cổng 1 được gửi ra trên cổng 2, một tín hiệu vào trên cổng 2 được gửi ra trên cổng 3, và một tín hiệu vào cổng 3 sẽ được gửi ra cổng

1 Các bộ circulator được dùng để xây dựng các phần tử xen/rớt quang

3 Nguồn phát quang

Bộ phát quang có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang Ánh sáng phát ra từ các nguồn này được ghép vào sợi quang để truyền đi Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện nay là

• Diode phát quang hay LED (Light Emitting Diode)

• LASER (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation)

Để xây dựng thành công các hệ thống thông tin quang Các nguồn phát quang cần có các tính chất vật lý sau:

• Phù hợp với kích thước các sợi quang

• Phóng đủ công suất quang vào sợi để khắc phục suy hao cho phép tín hiệu có thể được phát hiện ở đầu thu

• Phát ra ánh sáng ở các bước sóng làm tối thiểu hoá suy hao và tán xạ Các nguồn quang nên có một bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu tán xạ

• Duy trì sự vận hành ổn định trong những điều kiện môi trường thay đổi (như nhiệt độ)

• Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang ngõ ra

• Giá thành thấp và tin cậy hơn các thiết bị điện tử, cho phép các hệ thống thông tin sợi quang có thể cạnh tranh với những hệ thống thông tin thông thường

Các hệ thống thông tin quang hoạt động ở các cửa sổ 850 nm, 1300 nm, và 1550

nm Các nguồn bán dẫn được thiết kế để vận hành ở các bước sóng mà sự hấp thu của sợi quang là nhỏ nhất và cực đại băng thông của hệ thống Bằng việc thiết kế các nguồn quang hoạt động ở các bước sóng riêng biệt nào đó, sự hấp thu từ những tạp chất trong sợi quang, như là các ions hydroxyl (OH-), có thể được giảm nhỏ Cực đại băng thông liên quan đến việc thiết kế các sợi quang và các nguồn mà làm giảm nhỏ tán sắc sắc thể và tán sắc mode ở bước sóng hoạt động

Nguồn phát quang cho những hệ thống ghép kênh đa bước sóng là những laser có độ phân giải cao, băng hẹp, chính xác Những laser này cho phép khoảng cách kênh nhỏ, tăng số bước sóng có thể sử dụng ở dải 1500nm và giảm các ảnh hưởng

3

2 1

4

3

2 1

Hình 4.3: Bộ truyền 3 cổng và 4 cổng

xấu đến tín hiệu như sự tán xạ Chúng giảm nhỏ suy hao công suất, cho phép truyền ở những khoảng cách xa và mức độ toàn vẹn của tín hiệu cao Những laser này có thể sử dụng các bộ khuếch đại quang để nâng độ lớn của tín hiệu với những khoảng cách mở rộng và loại bỏ các bộ khuếch đại điện tử cần thiết để tái tạo từng tín hiệu quang Hầu hết các hệ thống laser được thiết kế để làm việc với những bước sóng được quy định bởi ITU-T

Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon lại thật gần một electron được kích thích Photon có thể làm electron phóng ra năng lượng và trở về trạng thái nền

Trong quá trình này, electron phát ra photon khác có cùng hướng và kết hợp với photon đang kích thích Các photon mà tần số là phần nguyên của chiều dài hốc sẽ kết hợp để tạo ra ánh sáng ở một tần số được cho Gương phản chiếu các photon tới và lui, do đó phát xạ kích thích nhiều hơn có thể xảy ra và cường độ ánh sáng cao hơn có thể được tạo ra Một trong hai gương truyền dẫn một phần, do vậy một số photon sẽ thoát khỏi lổ hốc dưới dạng một tia sáng hội tụ Bằng cách thay đổi chiều dài hốc, tần số ánh sáng được phát có thể hiệu chỉnh

Tần số photon phát phụ thuộc vào sự thay đổi mức năng lượng của nó Tần số được xác định bởi phương trình: f = (Ei – Ef)/h Trong đó f là tần số của photon, Ei là trạng thái ban đầu của electron (quasi-state), Ef là trạng thái cuối (ground state) của electron, và h là hằng số Plank

a Laser bán dẫn:

Dạng Laser hữu dụng nhất cho truyền thông quang là diod laser bán dẫn Một chất bán dẫn có thể được kích thích bằng những tạp chất để làm tăng số electron hoặc số lỗ trống Một bán dẫn loại n được cho vào các tạp chất mà cung cấp thêm các electron Những electron này sẽ ở lại trong vùng dẫn Một bán dẫn loại p được cho vào các tạp chất làm tăng số lỗ trống trong vùng hoá trị Vùng hoá trị và vùng dẫn tương đương với trạng thái nền và trạng thái kích thích của một electron Một mối nối p-n được hình thành bằng cách xếp lớp vật liệu bán dẫn loại p lên trên vật liệu bán dẫn loại n Trong laser có hai mặt phản xạ ở hai đầu lớp tích cực tạo nên một hốc cộng hưởng quang

Để tạo ra được sự phát xạ kích thích, một điện thế được đưa qua mối nối p-n, làm cho các electron trong vùng n kết hợp với các lỗ trống trong vùng p, kết quả là năng lượng ánh sáng được giải phóng ở một tần số phụ thuộc khe năng lượng của thiết bị Bằng cách dùng các loại vật liệu bán dẫn khác nhau, ánh sáng với các phạm vi tần số khác nhau được giải phóng Tần số thật sự của ánh sáng được phát

ra bởi laser được xác định bởi chiều dài của lỗ hổng hình thành bởi các rìa phản chiếu trực giao với mối nối p-n

b Tunable Laser:

Nguồn phát sử dụng trong các mạng WDM thường yêu cầu khả năng chỉnh đến những bước sóng khác nhau Các laser cố định bước sóng DFB làm việc rất tốt với các ứng dụng ngày nay Tuy nhiên, mỗi bước sóng cần một laser duy nhất Điều này nghĩa là để cung cấp một hệ thống WDM 100 kênh, ta cần phải dự trữ 100 dạng laser khác nhau Việc làm này không những đắt tiền mà còn gây trở ngại cho các nhà sản xuất và những người vận hành mạng

Do vậy Laser có thể điều chỉnh bước sóng phát là loại được ưa chuộng nhất trong các mạng WDM Chúng mang lại sự mềm dẻo trong việc chọn bước sóng

phát ở nguồn của một lightpath Chẳng hạn như ta muốn có tổng cộng 4 lightpaths

bắt đầu ở một nút, ta sẽ trang bị nút đó với một laser chỉnh được 4 bước sóng Một

ứng dụng của tunable laser là trong các mạng quang chuyển mạch gói, nơi mà dữ

liệu cần được phát trên cơ sở các gói liên tiếp

Một số đặc điểm quan trọng của các laser này là phạm vi thay đổi bước sóng, thời gian chỉnh và tính liên tục của nó Phạm vi thay đổi là tầm bước sóng mà laser hoạt động Thời gian chỉnh là thời gian cần thiết để chuyển từ bước sóng này sang

bước sóng khác Tuy nhiên, tunable laser là một sản phẩm trong hầu hết các phòng

thí nghiệm WDM và các môi trường test

c Laser Arrays:

Một lựa chọn khác so với tunable laser là dãy các laser, gồm có một tập các laser cố định Laser Array gồm một số các laser được tích hợp vào một thành phần riêng rẽ, với mỗi laser hoạt động ở một bước sóng khác nhau Thuận lợi của việc sử dụng dãy laser là nếu mỗi bước sóng trong dãy được điều chế độc lập nhau thì

đa truyền dẫn có thể xảy ra đồng thời Trở ngại là số bước sóng có sẵn trong một dãy laser là cố định và hiện tại giới hạn khoảng 20 bước sóng Một dãy laser với 4 bước sóng đã được triển khai trong một prototype mạng

3.2 LED

Lasers là những thiết bị đắt tiền và không hiệu quả đối với nhiều ứng dụng có tốc độ dữ liệu thấp và khoảng cách ngắn Trong trường hợp này, sử dụng diot phát quang (LED) sẽ có lợi về mặt kinh tế hơn

LED cũng được phát triển từ diot bán dẫn, từ tiếp giáp của bán dẫn loại p và bán dẫn loại n Tuy nhiên do sự tự phát xạ xảy ra trong toàn băng thông trong môi trường, ánh sáng đi ra từ một LED có phổ rộng không giống như trong laser Ta có thể xem LED như một laser với các mặt không được phản xạ lắm Tăng dòng điều khiển đơn giản làm tăng sự tự phát xạ, và không có cơ hội để tạo ra phát xạ kích thích vì tính phản xạ kém của các bề mặt Vì lí do này, LED không có khả năng tạo

ra công suất ngõ ra cao, công suất ra tiêu biểu của LED khoảng –20 dBm

4 Tách sóng quang

Bộ tách sóng quang chuyển các luồng ánh sáng đi vào thành các dòng điện Dòng điện sau đó được khuếch đại và đi xuyên qua một thiết bị ngưỡng Một bit ở mức logic 0 hay 1 phụ thuộc dòng điện này ở trên hay dưới một ngưỡng nào đó trong thời gian bit Nói cách khác, sự quyết định được thực hiện dựa vào sự hiện diện của ánh sáng trong suốt thời khoảng bit

Các thiết bị tách sóng cơ bản cho các mạng quang tách sóng trực tiếp là các diot

PN và PIN Cấu tạo của chúng cũng phát triển từ tiếp giáp P-N Dưới hiệu ứng quang-điện, ánh sáng đi vào mối nối P-N sẽ tạo ra các cặp electron-lỗ trống trong cả hai vùng của diot Các electron được giải phóng trong vùng “p” sẽ đi qua vùng

“n”, và các lỗ trống tạo ra trong vùng “n” sẽ xuyên qua vùng “p”, kết quả là tạo ra một dòng điện

Một phương pháp khác là tách sóng kết hợp Trong đó thông tin về pha được sử dụng để mã hoá và tách sóng tín hiệu Luồng ánh sáng vào với một tần số hơi khác tần số bộ dao động, được kết hợp với tín hiệu từ bộ dao động tạo ra một tín hiệu ở tần số khác Tín hiệu này trong tầm sóng vi ba sẽ được khuếch đại và tách sóng Tách sóng kết hợp phức tạp hơn tách sóng trực tiếp nhưng nó cho phép nhận các tín hiệu yếu từ một nền nhiễu Tuy nhiên trong hệ thống quang, việc duy trì thông tin về pha cho tách sóng trực tiếp là điều khó thực hiện

Theo sau là một số yêu cầu đối với các bộ tách sóng quang để tương thích trong hệ thống WDM:

• Phù hợp với kích thước sợi quang để việc ghép được hiệu quả và đóng gói dễ dàng

• Có một độ nhạy cao ở bước sóng hoạt động của nguồn quang

• Có một thời gian đáp ứng đủ ngắn để điều khiển tốc độ dữ liệu hệ thống

• Nhiễu đối với hệ thống thấp

• Duy trì sự vận hành ổn định trong những điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ

5 Các bộ khuếch đại quang

Trong một hệ thống thông tin quang, các tín hiệu quang từ bên phát bị suy hao bởi sợi quang khi lan truyền qua sợi Các thành phần quang khác, như các bộ ghép kênh và các bộ ghép cũng gây ra suy hao Sau một vài khoảng cách, suy hao tích lũy làm cho tín hiệu bị yếu đi đến mức không tách sóng được Do vậy cường độ tín hiệu phải được khôi phục lại trước khi tách sóng Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời, sự lựa chọn duy nhất là tái tạo lại các tín hiệu, nghĩa là nhận tín hiệu và phát lại nó Quá trình này được thực hiện bằng các bộ lặp tái sinh Một bộ lặp chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục và sau đó chuyển lại thành tín hiệu quang để truyền tiếp Điều này làm hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí bảo trì của hệ thống thông tin

Hình 4.6: Sơ đồ khối của một bộ thu quang

Kỹ thuật khuếch đại quang mang lại nhiều thuận lợi hơn các bộ lặp Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng cấp hơn, ví dụ như đến một tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế các bộ khuếch đại Hơn nữa, các bộ khuếch đại quang có một băng thông khá lớn nên có thể được dùng khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM Nếu không với mỗi bước sóng ta phải có một bộ lặp Điều này cho thấy các bộ khuếch đại quang thật sự cần thiết cho các hệ thống ghép kênh theo bước sóng, đặc biệt là DWDM như thế nào

Ở đây ta sẽ xem xét hai dạng cơ bản: EDFA (erbium – doped fiber amplifiers ) và SOA (semiconductor optical amplifiers)

Tín hiệu bơm kích thích các nguyên tử Er3+ đến một mức năng lượng cao hơn Sự chuyển dịch mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra một photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu như không có bất cứ một tác động nào khác chen vào; hoặc bức xạ kích thích do sự có mặt của các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển Thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10 ns đảm bảo cho các ion Er3+ đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích Khi tín hiệu dữ liệu được truyền vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu

Hầu hết các EDFA được bơm bằng laser với bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm Bước sóng 980 nm cho hiệu suất độ lợi quanh 10 dB/mW, trong khi bước sóng 1480

nm cho hiệu suất quanh 5 dB/mW Một hạn chế của khuếch đại quang là độ lợi phổ

Hình 4.7: Eribium-doped fiber amplifier

không đồng đều Độ lợi phổ EDFA được vẽ trong hình 4.8 Ngoài ra, các bộ khuếch đại cũng khuếch đại nhiễu như tín hiệu và vùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon, làm hạn chế hiệu suất của bộ khuếch đại

Một số phương pháp làm phẳng độ lợi của EDFA đã được nghiên cứu như sử dụng bộ lọc quanh tần số 1530 nm để nén đỉnh trong vùng này Tuy nhiên khi có nhiều EDFA được ghép liên tầng, một đỉnh khác xuất hiện quanh bước sóng 1560

nm, lúc đó bộ lọc ở tần số 1560 nm được sử dụng Một phương pháp khác là hiệu chỉnh công suất phát ngõ vào để cho công suất trên mọi bước sóng nhận được ở bên thu như nhau Cách này được áp dụng trong mạng vòng Ring WDM

5.2 SOA

Hình 4.9 chỉ ra sơ đồ khối của bộ khuếch đại quang bán dẫn Về cơ bản, SOA là một mối nối p-n Lớp giữa được hình thành ở mối nối hoạt động như là một vùng tích cực Ánh sáng được khuếch đại do sự phát xạ kích thích khi nó lan truyền qua vùng tích cực này Đối với một bộ khuếch đại, hai đầu cuối của vùng tích cực được phủ một lớp không phản xạ để loại bỏ gợn sóng trong độ lợi bộ khuếch đại

Xét một tần số quang f c thoả mãn: h f c > E g , trong đó E g là khe năng lượng của vật liệu bán dẫn Tần số quang nhỏ nhất (hay bước sóng lớn nhất) có thể được khuếch đại tương ứng với khe năng lượng này Khi thế hiệu dịch gửi đến tăng lên, các electron đi vào vùng p chiếm các mức năng lượng cao hơn từng nấc và các tín hiệu với bước sóng nhỏ hơn có thể được khuếch đại

Hai dạng laser bán dẫn cơ bản là Fabry-Perot amplifier và Traveling-wave amplifier (TWA) Sự khác nhau chính giữa hai loại này là tính phản xạ của hai gương đầu cuối Tính phản xạ của Fabry-Perot khoảng 30%, của TWA khoảng 0.01% Tính phản xạ cao hơn trong Fabry-Perot gây ra cộng hưởng trong bộ khuếch đại làm cho dải thông hẹp khoảng 5 GHz Vì vậy TWA thích hợp hơn Fabry-Perot cho các mạng WDM

Ngày nay các bộ khuếch đại bán dẫn có thể đạt được độ lợi 25 dB với một độ lợi bão hoà là 10 dBm, độ nhạy phân cực là 1dB và phạm vi băng thông 40 nm Một thuận lợi của các bộ khuếch đại bán dẫn là khả năng tích hợp chúng vào các thành phần khác

6 Các bộ ghép kênh và bộ lọc

Các bộ lọc quang là những thành phần chủ yếu trong hệ thống truyền dẫn WDM đối với ít nhất hai ứng dụng là ghép và tách các bước sóng, các thiết bị này được gọi là các bộ ghép kênh (multiplexer) và các bộ phân kênh (demultiplxer) Ngoài ra, bộ lọc còn làm phẳng độ lợi và lọc nhiễu trong các bộ khuếch đại quang

Các ứng dụng khác của các bộ lọc quang được vẽ trong hình 4.10 Một bộ lọc đơn giản là một thiết bị hai cổng chọn một bước sóng và loại bỏ các bước sóng khác Nó có thể có một cổng thứ ba thêm vào mà trên đó các bước sóng bị loại bỏ có thể thu được Một bộ ghép kênh kết hợp các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau trên các ngõ vào vào một ngõ ra chung, một bộ phân kênh thực hiện chức năng ngược lại MUX và DEMUX được dùng như các thiết bị cuối WDM cũng như trong các bộ kết nối chéo bước sóng (WXC) và các bộ ghép kênh xen/rớt bước sóng

Active Region

Light

in

Light out

DEMUX và MUX có thể được nối liên tầng để tạo ra các WXC Trong một WXC cố định, mô hình kết nối chéo cố định lúc thiết bị được thực hiện và không thể thay đổi một cách động Hình 4.11 chỉ một ví dụ về WXC cố định Thiết bị gửi các tín hiệu từ một ngõ vào đến một ngõ ra dựa vào bước sóng WXC động có thể được xây dựng bằng cách kết hợp sử dụng các bộ chuyển mạch quang với các bộ ghép và phân kênh

Sau đây là một số đặc điểm chính của các bộ lọc quang dùng trong các hệ thống WDM:

1 Bộ lọc tốt nên có suy hao từ ngõ vào đến ngõ ra của bộ lọc thấp

2 Suy hao nên độc lập với trạng thái phân cực của các tín hiệu ngõ vào

3 Dải thông của một bộ lọc nên không được nhạy với những sự thay đổi nhiệt độ xung quanh

4 Khi có nhiều bộ lọc hơn được ghép liên tầng trong một hệ thống WDM, dải thông càng trở nên hẹp hơn Để đảm bảo dải thông rộng vừa phải ở đầu cuối, từng bộ lọc riêng rẽ nên có dải thông rất phẳng

5 Đồng thời, các rìa của dải thông nên nhọn để giảm lượng năng lượng xuyên qua từ những kênh kế cận nhau Năng lượng này được gọi là nhiễu xuyên âm và làm giảm chất lượng hệ thống

Ngoài những vấn đề nêu trên, có lẽ mối quan tâm quan trọng nhất là chi phí Các kỹ thuật đòi hỏi sự khéo léo thường đắt tiền hơn Có hai cách làm giảm chi phí các bộ lọc quang Cách thứ nhất là chế tạo chúng sử dụng kỹ thuật ống dẫn sóng quang tích hợp Các ống dẫn sóng này có thể làm bằng nhiều chất nền, bao gồm silica, silicon, InGaAs, và polyme Các thiết bị dẫn sóng có khuynh hướng phụ thuộc sự phân cực Vì vậy cần quan tâm đến việc làm giảm PDL trong các thíêt bị này Phương pháp thứ hai là thực hiện các thiết bị toàn bằng sợi Các thiết bị này không phụ thuộc vào sự phân cực Cũng dễ dàng ghép ánh sáng vào và ra các thíêt bị này từ/vào các sợi khác

Tất cả các bộ lọc và ghép kênh ta nghiên cứu sử dụng đặc tính nhiễu (interference) giữa các sóng quang Ngoài ra, một số các bộ lọc, ví dụ như gratings, sử dụng đặc

tính nhiễu xạ – ánh sáng từ một nguồn có khuynh hướng tản ra theo tất cả các hướng phụ thuộc vào bước sóng tới

7 Các bộ chuyển mạch

Hầu hết các mạng ngày nay thực hiện xử lý điện tử ở các node và chỉ sử dụng sợi quang như môi trường truyền dẫn Chuyển mạch và xử lý dữ liệu được thực hiện bằng cách chuyển một tín hiệu quang về dạng điện bẩm sinh của nó Một mạng này dựa vào các bộ chuyển mạch điện tử Các chuyển mạch này cung cấp các chức năng chuyển mạch và định tuyến với độ mềm dẻo cao Tuy nhiên, tốc độ điện tử không thể phù hợp với băng thông cao của sợi quang Sự chuyển đổi điện tử

ở các node trung gian trong mạng cũng thêm vào trễ Những yếu tố này đã thúc đẩy sự phát triển của mạng toàn quang trong đó các thành phần chuyển mạch quang được triển khai có thể chuyển mạch các luồng dữ liệu quang băng thông cao mà không cần chuyển đổi điện tử

Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạng quang cho nhiều ứng dụng khác nhau Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch và số các cổng chuyển mạch khác nhau Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch quang là cung cấp

các lightpaths Trong ứng dụng này, các chuyển mạch được sử dụng bên trong các

bộ kết nối chéo nhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các lightpaths mới Một phần mềm cần thiết được thêm vào để quản lý mạng từ đầu cuối đến đầu cuối Vì thế, với ứng dụng này, các chuyển mạch với thời gian chuyển mạch mili giây được chấp nhận Sự đánh đổi ở đây là phải thực hiện các bộ chuyển mạch có kích thước lớn Một ứng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ Ở đây các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các luồng lưu lượng từ một sợi chính sang một sợi khác trong trường hợp sợi chính bị hư Toàn bộ hoạt động phải được hoàn thành trong hàng chục mili giây, bao gồm cả thời gian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng thích hợp điều khiển việc chuyển mạch, và thời gian chuyển mạch thật sự Vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài mili giây Có thể có các dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau, và phụ thuộc vào phương pháp được sử dụng, số các cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn cổng khi sử dụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng

Các bộ chuyển mạch cũng là các phần tử quan trọng trong mạng chuyển mạch gói quang học tốc độ cao Trong các mạng này, các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các tín hiệu trên cơ sở các gói Với ứng dụng này, thời gian chuyển mạch này phải nhỏ hơn nhiều thời gian của một gói, và các chuyển mạch lớn sẽ cần thiết Ví dụ, một gói có kích thước 53 byte (một cell trong mạng ATM) ở tốc độ 10 Gbps dài 42 ns, vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu để thi hành hiệu quả khoảng một vài nano giây

Các bộ chuyển mạch còn được sử dụng như là các bộ điều chế bên ngoài để mở và đóng dữ liệu trước một nguồn laser Trong trường hợp này, thời gian chuyển mạch phải là một phần nhỏ của thời khoảng bit Do đó một bộ điều chế bên ngoài

cho một tín hiệu 10 Gps (với một thời khoảng bit 100 ps) phải có thời gian chuyển mạch khoảng 10 ps

Ngoài thời gian chuyển mạch và số các cổng, các tham số quan trọng khác được sử dụng để biểu thị tính thích hợp của một bộ chuyển mạch cho các ứng dụng mạng quang gồm có:

• Tỉ số công suất ngõ ra ở trạng thái mở trên công suất ngõ ra ở trạng thái tắt Tỉ số này càng lớn càng tốt và nó đặc biệt quan trọng trong các bộ điều chế bên ngoài Trong khi các chuyển mạch cơ chế đơn giản có tỉ số 40-50 dB, các bộ điều chế bên ngoài tốc độ cao có tỉ số 10-25 dB

• Suy hao công suất từ ngõ vào đến ngõ ra của bộ chuyển mạch (thường được biễu diễn dưới dạng decibels) phải càng nhỏ càng tốt

• Các bộ chuyển mạch không lý tưởng Ngay cả nếu ngõ vào x được kết nối một cách danh định đến ngõ ra y, một ít công suất từ ngõ vào x có thể xuất hiện ở

các ngõ ra khác Với một trạng thái chuyển mạch được cho, và ngõ ra, crosstalk

là tỉ số của công suất ở ngõ ra đó từ ngõ vào mong muốn trên công suất từ tất cả các ngõ ra khác

• Cũng như các phần tử khác, bộ chuyển mạch nên có suy hao phụ thuộc sự phân cực thấp (PDL) Khi được sử dụng làm bộ điều chế bên ngoài, sự phụ thuộc này có thể bỏ qua vì bộ chuyển mạch được sử dụng ngay sau laser, và trạng thái phân cực ở ngõ ra của laser có thể được điều khiển bằng cách sử dụng một loại sợi quang đặc biệt để ghép ánh sáng từ laser vào bộ điều chế bên ngoài

• Một chuyển mạch chốt duy trì trạng thái chuyển mạch của nó ngay cả khi công suất bị khoá Điều này xét về mặt nào đó là đặc điểm mong muốn vì nó cho phép lưu lượng được xuyên qua bộ chuyển mạch ngay cả trong trường hợp không có công suất

• Độ tin cậy của bộ chuyển mạch là một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng

truyền thông

7.1 Các phần tử kết nối chéo sợi

Một phần tử kết nối chéo cơ bản 2 x 2 gửi các tín hiệu quang từ hai ngõ vào đến

hai ngõ ra và có hai trạng thái: cross state và bar state Trong cross state, tín hiệu từ

cổng vào phía trên được gửi đến cổng ra phía dưới, và tín hiệu từ cổng vào phía

dưới được gửi đến ngõ ra phía trên Trong bar state, tín hiệu ở ngõ vào bên trên

định tuyến đến ngõ ra phía trên, và tín hiệu từ ngõ vào bên dưới được định tuyến đến ngõ ra phía dưới

Hình 4.12: Các phần tử kết nối chéo

Các phần tử kết nối chéo được thực hiện sử dụng hai kỹ thuật: chuyển mạch định hướng (directive switch), trong đó ánh sáng hướng đến một trong hai ngõ ra theo tự nhiên; và chuyển mạch cổng (gate switch), trong đó các cổng khuếch đại quang được dùng để chọn và lọc các tín hiệu vào đến các cổng ra riêng biệt

a Directive Switches:

Bộ ghép định hướng gồm một dôi ống dẫn sóng song song Ánh sáng vào một trong hai ống dẫn sóng ghép qua ống thứ hai Cường độ ghép phụ thuộc bước sóng quang và phần công suất lan truyền trong lõi của ống dẫn sóng Nếu hai ống dẫn sóng giống hệt nhau, ghép hoàn toàn giữa hai ống xảy ra qua phần chiều dài đặc tính phụ thuộc vào cường độ ghép Tuy nhiên, bằng cách đặt các điện cực trên các ống dẫn sóng, sự khác nhau về hằng số truyền sóng trong hai ống có thể tăng đủ để

cho không có ánh sáng ghép giữa hai ống dẫn sóng Vì vậy, cross state tương ứng với điện áp đưa vào bằng không, và bar state tương ứng điện áp chuyển mạch khác

không

b Gate Switches:

Trong một chuyển mạch cổng N x N, mỗi tín hiệu vào đi qua một bộ chia (splitter)

1 x N Sau đó tín hiệu đi qua một dãy N2 phần tử cổng, rồi kết hợp lại trong bộ kết hợp N x 1 và gửi đến N ngõ ra Các cổng có thể được thực hiện sử dụng các bộ khuếch đại quang được mở hoặc tắt để cho qua chỉ những tín hiệu được lựa chọn đến ngõ ra Độ lợi các bộ khuếch đại có thể bù cho suy hao ghép và suy hao ở các bộ chia và bộ kết hợp Chuyển mạch cổng khuếch đại 2 x 2 được minh hoạ trong hình 4.14 Một bất lợi của chuyển mạch cổng là các suy hao chia và ghép làm giới hạn kích thước của chuyển mạch

Hình 4.13: Directive Switch

V

Hình 4.14: Amplifiers Gates

7.2 Bộ định tuyến bước sóng không cấu hình lại

Một thiết bị định tuyến bước sóng có thể định tuyến các tín hiệu đến những ngõ vào khác nhau của thiết bị đến các ngõ ra khác dựa vào các bước sóng của tín hiệu Định tuyến bước sóng được thiết lập bằng cách phân kênh các bước sóng khác nhau từ mỗi cổng vào, chuyển mạch mỗi bước sóng riêng rẽ, và rồi ghép kênh các tín hiệu ở mỗi cổng ra Một bộ định tuyến 4 x 4 được minh hoạ trong hình 4.15 Bộ định tuyến được gọi là không cấu hình khi không có giai đoạn chuyển mạch giữa các MUX và DEMUX, vì thế đường đi của một kênh cho trước, sau khi đi vào bộ định tuyến sẽ cố định

7.3 Bộ định tuyến bước sóng cấu hình lại (WXC)

Khác với bộ định tuyến không cấu hình lại, WXC sử dụng các chuyển mạch photonic bên trong các phần tử định tuyến Các mạng được xây dựng trên các chuyển mạch loại này sẽ mềm dẻo hơn, bởi vì nó cung cấp thêm chức năng điều khiển trong việc thiết lập các kết nối Định tuyến là một chức năng bao gồm chọn lựa bước sóng ở node nguồn, cũng như sự cấu hình của các chuyển mạch bên trong các node mạng

λ31

7.4 Chuyển mạch gói photonic

Hầu hết các bộ chuyển mạch thảo luận ở trên là các thiết bị liên hệ (relational

device), hữu dụng trong môi trường chuyển mạch mạch nơi mà một kết nối được

thiết lập qua những khoảng thời gian dài Ở đây, ta nhắc lại chuyển mạch gói

quang như đã được đề cập ở trên Các chuyển mạch này là các thiết bị logic (logic

device), trong đó cấu hình chuyển mạch là một hàm của dữ liệu ở ngõ vào

Trong một hệ thống chuyển mạch gói, tồn tại một vấn đề về tranh chấp tài nguyên khi có nhiều gói muốn gửi ra cùng một node Giải quyết tranh chấp trong miền quang là điều phức tạp vì khó lắp đặt các thành phần có thể lưu trữ dữ liệu quang

8 Bộ chuyển đổi bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng là một thiết bị có khả năng chuyển dữ liệu từ bước sóng này (λ1) trên một ngõ vào sang bước sóng khác tại ngõ ra (λ2) Bộ chuyển đổi rất hữu dụng trong việc làm giảm xác suất tắc nghẽn mạng Nếu các bộ chuyển đổi được tích hợp vào các bộ kết nối chéo trong các mạng WDM, các kết nối có thể được thiết lập giữa nguồn và đích ngay cả khi cùng một bước sóng không có sẵn

trên tất cả các tuyến của đường đi Các bộ chuyển đổi bước sóng giúp loại trừ sự

bắt buộc liên tục về bước sóng Sau đây là một số đặc điểm mà một bộ chuyển đổi

bước sóng lý tưởng nên có:

• Trong suốt đối với tốc độ bit và các định dạng tín hiệu

• Thời gian tạo bước sóng ngõ ra nhanh

• Chuyển đổi được cả những bước sóng ngắn và dài

• Điều tiết mức công suất ngõ vào

• Không nhạy với tín hiệu ngõ vào

Switch (λ M )

Hình 4.16: Bộ định tuyến bước sóng cấu hình lại P x P với M bước

• Lắp đặt đơn giản

Ví dụ như trong hình 4.17, một đường ánh sáng (light path) được thiết lập giữa

nút 1 và nút 2 trên bước sóng λ1 và một đường khác được thiết lập giữa nút 2 và nút

3 trên bước sóng λ2 Nếu có một yêu cầu ở nút 1 cần đi đến nút 3, yêu cầu không

thể chấp nhận được vì sự bắt buộc liên tục về bước sóng Nếu ta có một bộ chuyển

đổi bước sóng đặt ở nút 2 mà có thể chuyển từ λ1 sang λ2 , thì yêu cầu có thể được thực hiện thành công Rõ ràng các bộ chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện được hiệu suất khi các bước sóng rỗi có sẵn trên các tuyến, và một bước sóng chung thì không có

Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia thành hai dạng dựa vào lượng chuyển đổi có thể Một bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ có thể chuyển một bước sóng ngõ vào thành bất kỳ các bước sóng ngõ ra Một bộ chuyển đổi bước sóng giới hạn chỉ có thể chuyển một bước sóng ngõ vào thành một số các bước sóng nào đó ở ngõ ra Một mạng mà có các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ ở tất cả các node sẽ thực hiện tốt hơn xét về khía cạnh tối thiểu hoá xác suất tắc nghẽn Tuy nhiên, điều này khó thực hiện trong thực tế bởi vì yếu tố chi phí và phụ thuộc các giới hạn kỹ thuật Vì vậy một mạng mà trong đó có ít node được trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ hoặc giới hạn sẽ khả thi hơn Mạng này được xem như các mạng chuyển đổi bước sóng thưa thớt Vì vậy vấn đề chọn lựa các node thích hợp để đặt các bộ chuyển đổi trong mạng trở nên quan trọng

Các kỹ thuật lắp đặt các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia ra hai dạng

8.1 Chuyển đổi bước sóng quang-điện

Trong phương pháp này, tín hiệu quang trước tiên được chuyển thành tín hiệu điện sử dụng một bộ tách sóng Luồng bit được lưu trữ trong bộ đệm Sau đó tín hiệu điện được dùng để lái ngõ vào của một tunable laser để tạo thành một bước sóng mong muốn ở ngõ ra Phương pháp này không thích hợp cho các tốc độ bit cao hơn 10 Gbps Sự tiêu hao nhiều công suất hơn và các thủ tục phức tạp là một số trở ngại của phương pháp này khi so với các phương pháp khác Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi quang-điện (O-E) ảnh hưởng một cách bất lợi đến tính trong suốt

8.2 Chuyển đổi bước sóng toàn quang

Trong phương pháp này, tín hiệu quang ở trong miền quang trong suốt quá trình chuyển đổi Ta có thể chia phương pháp này thành các loại sau:

Hình 4.17: Sự sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng

a Chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng kết hợp:

Các phương pháp này dựa vào hiệu ứng trộn bước sóng Trộn bước sóng phát sinh từ đáp ứng quang học phi tuyến của một môi trường khi có hơn một bước sóng hiện diện Kết quả là sinh ra một bước sóng khác mà cường độ tỉ lệ với cường độ các sóng tương tác Trộn bước sóng duy trì thông tin về pha và biên độ, cung cấp một sự trong suốt nghiêm ngặt Nó cũng là phương pháp duy nhất cho phép đồng thời chuyển một tập nhiều bước sóng ở ngõ vào thành một tập các bước sóng ở ngõ ra và có thể cung cấp các tín hiệu với tốc độ bit vượt qua 100 Gbps Trong hình vẽ 4.18, giá trị n = 3 tương ứng với FWM và n = 2 tương ứng với DFG Các kỹ thuật này được mô tả dưới đây:

• Trộn bốn bước sóng (FWM): FWM được sử dụng trong các sợi silica, nó làm

cho ba sóng quang với các tần số f a, f b và f c với a # b, c tương tác với nhau trong hệ thống ghép kênh đa bước sóng tạo ra sóng thứ tư có tần số f abc = f a + f b - f c. FWM có thể thực hiện được trong các ống dẫn sóng bán dẫn hoặc

trong một môi trường tích cực như bộ khuếch đại quang vật liệu bán dẫn Kỹ thuật này cung cấp sự độc lập định dạng điều chế và khả năng tốc độ bit cao Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm thành năng lượng

tín hiệu không cao lắm

• Phát sinh tần số sai phân (DFG): DFG là kết quả tương tác phi tuyến của một môi trường với hai sóng quang: một sóng bơm và một sóng tín hiệu Kỹ thuật này cung cấp một phạm vi trong suốt hoàn toàn mà không thêm vào nhiễu, nhưng hiệu suất thấp và nhạy với sự phân cực Khó khăn chính trong việc thực hiện kỹ thuật này nằm ở chỗ làm khớp pha của các sóng tương tác và chế tạo một ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được năng suất chuyển đổi

cao

b Chuyển đổi bước sóng sử dụng điều chế chéo:

Kỹ thuật này sử dụng các thiết bị bán dẫn tích cực như các bộ khuếch đại quang học và laser bán dẫn

• Bộ khuếch đại quang bán dẫn ở mode XGM và XPM: Nguyên tắc sử dụng

một bộ khuếch đại ở mode điều chế chéo độ lợi (XGM) như sau: tín hiệu