Tìm hiểu về công nghệ WDM và ứng dụng luận văn tốt nghiệp đại học

Đồ án trình bày về công nghệ mới: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDMWavelength Division Multiplexing và các ứng dụng của nó trong việc pháttriển mạng thông tin quang nhằm tăng

Trờng Đại học vinh Khoa ĐIệN Tử VIễN THÔNG

=====  =====

Đồ áN tốt nghiệp ĐạI HọC

Đề tài:

tìm hiểu về công nghệ wdm và ứng dụng

Giảng viên hớng dẫn : ThS lê đình công Sinh viên thực hiện : nguyễn trọng lộc Lớp : 47k - đtvt

Vinh, 2011

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 Hệ thống thông tin quang 3

1.1 Khái niệm chung về hệ thống thông tin quang 3

1.1.1 Sự phát triển của thông tin quang 4

1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 5

1.1.3 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang 5

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 6

1.2.1 Phân loại theo dang tín hiệu 6

1.2.2 Phân loại theo phương pháp ………6

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn 7

1.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 7

1.3.1 Sợi quang 7

1.3.2 Thiết bị phát quang 15

1.3.3 Thiết bị thu quang 16

1.3.4 Các trạm lặp 18

1.3.5 Các trạm xen/rẽ kênh 19

1.4 Các tham số của hệ thống thông tin quang 19

1.5 Kết luận 21

Chương 2 Tổng quan về hệ thống WDM 22

2.1 Cơ sở kỹ thuật WDM 22

2.1.1 Giới thiệu chung 22

2.1.2 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang 23

2.1.3 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh 26

2.1.4 Nguyên lý cơ bản của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM 27

2.1.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 31

2.2 Một số tham số kỹ thuật trong WDM 32

2.2.1 Suy hao xen 32

2.2.2 Suy hao xuyên kênh 33

2.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách giữa các kênh 34

2.3 Các thiết bị quang thụ động trong WDM 39

2.3.1 Các thiết bị WDM vi quang 41

2.3.2.Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc 46

2.4 Kết luận chương 57

Chương 3 Một số vấn đề công nghệ then chốt trong WDM 58

3.1 Ổn định bước sóng của nguồn quang 58

3.2 Ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn 59

3.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến 62

3.3.1 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) 62

3.3.2 Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering) 64

3.3.3 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) 65

3.3.4 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) 66

3.3.5 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) 67

3.3.6 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 68

3.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA và một 69

3.4.1 Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA 69

3.4.2 Tăng ích bằng phẳng của EDFA 71

3.4.3 Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA 72

3.5 Kết luận chương 73

Chương 4 Ứng dụng của hệ thống WDM 74

4.1 Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn……… 74

4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lương cao 74

4.1.2 Mạng quảng bá 77

4.2 Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập 80

4.2.1 Mở đầu 80

4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng 82

4.2.3 Mạng WDM đa chặng 84

4.3 Ứng dụng của wdm trong mạng chuyển mạch quang 87

4.4 Kết luận chương 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang 4

Hinh 1.2 Cấu trúc sợi quang 7

Hình 1.3 Hiện tương phản xạ toàn phần trong sợi quang 8

Hình 1.4 Truyền ánh sáng trong sợi SI 9

Hình 1.5 Quan hệ P(λ)/P phụ thuộc vào λ)/P phụ thuộc vào λ)/P phụ thuộc vào λ 12

Hình 1.6 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao 14

Hình 1.7 Sơ đồ khối của máy phát quang 15

Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị thu quang 17

Hình 1.9 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 18

Hình 1.10 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp điện quang 19

Hình 2.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang 23

Hình 2.2 Ghép kênh theo thời gian 24

Hình 2.3 Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET 25

Hình 2.4 Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang 29

Hình 2.5 Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng một sợi quang 29

Hình 2.6 Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp MUX-DEMUX 31

Hình 2.7.Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) và bộ ghép tách hỗn hợp (b) 33

Hinh 2.8 Phân loại các thiết bị WDM 40

Hình 2.9 Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng 41

Hinh 2.10 Cấu trúc của bộ lọc điện môi 41

Hình 2.11 Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc 42

Hình 2.12 Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao 42

Hình 2.13 Cấu trúc bộ tách 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa 43

Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều bước sóng 44

Hình 2.15 Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế 44

Hình 2.16 Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh 45

Hình 2.17 Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng 45

Hinh 2.18 Tán sắc dùng lăng kính 46

Hình 2.19 Sử dụng cách tử để tách bước sóng 47

Hình 2.20 Cách tử nhiễu xạ phẳng 48

Hình 2.21 Phân bổ phổ năng lượng nhiễu xạ bặc một 50

Hình 2.22 Cách tử lòng chảo 50

Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo 51

Hình 2.24 Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc 52

Hinh 2.25 Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM 55

Hình 2.26 Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1500nm với 56

Hình 2.27 Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép 56

Hình 4.1 Tuyến thông tin quang WDM điểm- điểm 74

Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình sao 78

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN vào số lượng kênh N 80

Hình 4.4 Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa 81

Hình 4.5 Sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động nội hạt 84

Hình 4.6 Một mạng đa chặng 8 nút 85

Hình 4.7 Sơ đồ khối chức năng của một nút trong mạng Teranet 86

CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN

Bảng 2.1 Tần số trung tâm danh định 36

Bảng 2.2 Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh 39

Bảng 2.3 So sáng độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc 53

Bảng 3.1 Cự ly hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp 60

Bảng 4.1 Một số hệ thống WDM thực nghiệm 76

Multiplexing sóngCMOS Complementary Metal Oxitde Công nghệ dùng để chế tạo

Semiconductỏ vi mạch tích hợpISDN Integrated Servicer Digital Công nghệ mạng băng hẹp Network

IM/DD Intensity Modulation with Hệ thống truyền dẫn thông

Direct Delectinon tin quang điều chế cường độLAN Local Area Network Mạng vùng cục bộ

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

OADM Optical Add/Drop Bộ ghép kênh xen/ rẽ

ISP Internet Service Provider Cung cấp các giải pháp kết

nốiOTDM Optical Time Division Ghép kênh quang phân chia Multiplexing theo thời gian

DCF Dispersion Compensater fiber

PMD Polarization Mode Dispersion Điều chế tự dịch pha

DGD Differential Group Delay

SRS Stimulated Raman Scattering Hiệu ứng SRS

SBS Stilmulated Brillouin Scattering Hiệu ứng SBS

SPM Self Phase Modulation Hiệu ứng SPM

XPM Cross Phase Modulation Hiệu ứng XPM

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng FWM

EDFA Ebrium Doped Fiber Bộ khuếch đại quang có

Amplifier Ebrium pha trộn nguyên tố đất hiếmTDMA Time Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo Access thời gian

CDMA Code Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo Access mã

FDMA Frequence Division Đa truy nhập phân chia theo Multiplexing Access tần số

WDMA Wavelength Division Đa truy nhập phân chia

Multiplexing Access theo bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Dưới sự lãnh đạo của Đảng và nhà nước, toàn dân ta đang phấn đấu thiđua thực hiện công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước Bằng việc đi tắt đónđầu những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới, công nghệ thông tin, điện tửviễn thông là những hướng phát triển tiên phong góp phần đưa đất nước tahướng tới một xã hội thông tin Nghĩa vụ và trách nhiệm của một sinh viênsắp ra trường thật không nhỏ, vì đối với họ vận hội và thách thức đang mở ra

ở phía trước

Với nhận thức ấy, bản đồ án tốt nghiệp này là báo cáo tổng kết một phầnkiến thức Khoa học Công nghệ về chuyên ngành Điện tử Viễn thông mà emđược đào tạo sau gần 5 năm học tập tại trường Đại học Vinh Đồ án trình bày

về công nghệ mới: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM(Wavelength Division Multiplexing) và các ứng dụng của nó trong việc pháttriển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng, đápứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong tương lai

Đai Học Vinh Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS Lê Đình Công

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em rất nhiềutrong qúa trình hoàn thành bản đồ án này Em mong rằng sẽ nhận được nhiềuđóng góp của các thầy cô và bạn bè cho bản đồ án, để các nghiên cứu sâu hơnsau này đạt kết quả tốt hơn nữa.

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trọng Lộc

Chương 1

Hệ thống thông tin quang

1.1 Khái niệm chung về hệ thống thông tin quang

Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điềunày có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sángđược truyền qua sợi quang Tại nơi thu nó lại được biến đổi thánh thông tinban đầu [2]

1.1.1 Sự phát triển của thông tin quang

Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người vềchuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thốngthông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng làmcác đèn tín hiệu Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang.Thiết bị này

sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởngcủa thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vôtuyến dùng để liên lạc giữa 2 người ở cách xa nhau

Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đếnnăm 1966 đã chế tạo ra sợi quang có độ tổn hao thấp(1000dB/Km).Bốn nămsau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫnkhoảng 20dB/Km Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên thế giới

đã tiến hành nghiên cứu và phát triển Kết quả đạt được là công nghệ mới vềgiảm suy hao truyền dẫn, về tăng giải thông,về các laze bán dẫn đã đựoc pháttriển thành công vào những năm 70 Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn0,18dB/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt

độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm

Dựa trên công nghệ sợi quang và laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khốilượng lớn các tin hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ xa hàng trăm Km bằngmột sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần cần các bộ tái tạo [2]

1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang

Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang

Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống thông tin quang:

* Bộ biến đổi điện-quang (E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thànhtín hiệu quang để truyền trong môi trường cáp quang(biến đổi xung điệnthành xung quang)

* Cáp quang: là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng đượcchế tạo bằng các chất có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh,sợi thuỷ tinh, sợi nhựa

Yêu cầu : Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnhhưởng của nguồn sáng lạ( không bị nhiễu)

* Biến đổi quang thành điện(O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao

và méo dạng trên đường truyền dẫn do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly đểbiến đổi thành tin hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu

Yêu cầu: Độ nhạy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh,nhiễu nhỏ tiêu thụnăng lượng ít

* Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn Trạmlặp biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi khuếch đại lên Tín hiệukhuếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang rồi truyền đi tiếp trên tuyếncáp sợi quang [2]

1.1.3 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang

Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những

ưu và nhược điểm riêng

a, Ưu điểm

* Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian vàngược lại nó cũng không phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng đến thiết bịxung quanh Như vậy các tín hiệu truyền qua sợi quang không bị nghe lénđược Tin tức được đảm bảo bí mật

* Giá thành của hệ thống truyền dẫn bằng kim loại đắt hơn so với cápsợi quang

* Độ cách điện cao đến hàng ngàn volt giữa trạm phát và trạm thu tínhiệu

* Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đềunhỏ nhẹ

* Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linhkiện, IC Lozic TTC và CMOS

* Truyền t ín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có thời giantrễ như ở thông tin vệ tinh

* Độ rộng băng tần đến 3000GHz Đến nay với cách truyền tin AM hayTime - Multiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10Ghz

b, Nhược điểm.

- Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp cáp kim loại

- Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bêntrong sợi quang

- Khi có nước hơi ẩm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chóng bị hỏng và cácmối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao

- Do kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp

- Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyềnanalog

- Không thể truyền mã lưỡng cực.

c, Ứng dụng

Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạnglưới điện thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình (dịch vụ băngrộng) và sẽ được sử dụng trong ISDN (là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyểnmạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói)

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang [1]

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

Tuỳ thuộc loại tín hiệu điện đưa vào nguồn quang là tín hiệu tương tựhay tín hiệu số mà ta có:

+ Hệ thống thông tin quang tương tự

+ Hệ thống thông tin quang số

Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hoá nên chủ yếu hiệnnay chỉ sử dụng hệ thống thông tin quang số, chỉ còn một số mạng đặc thù làvẫn còn dùng hệ thống thông tin quang tương tự Ví dụ như hệ thống truyềnhình cáp

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu quang

+ Hệ thống thông tin quang kết hợp( Coherrent): hệ thống này sử dụngphương thức điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điệnđưa đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầuthu thực hiện kỹ thuật thu đổi tần Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộnquang trộn với tín hiệu dao động nội rồi đưa đến bộ tách sóng quang để lấy ratín hiệu IF, sau đó thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu cần phát đi

+ Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): ở đầuphát các tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang củanguồn quang Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệuquang nhận được thành tín hiệu băng gốc đã truyền đi

1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn nhỏ tốc độ 8Mb/s hoặc hệ thống

có dung lượng truyền dẫn trung bình tốc độ 34Mb/s, sử dụng trên mạng trung

kế giữa các tổng đài, trên mạng thuê bao ISDN và mạng LAN

+ Hệ thống có dung lượng truyền dẫn lớn với tốc độ truyền dẫn đến

a, Cấu tạo và phân loại sợi quang

Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt được chế tạo từ sợi thuỷ tinhhoặc sợi tổng hợp để truyền ánh sáng

Hình 1.2 Cấu trúc sợi quang

Tùy theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi quang có thể phân loạisợi quang theo nhiều cách khác nhau

Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang:

+ Sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh

+ Sợi quang làm bằng thuỷ tinh hỗn hợp.

+ Sợi quang làm bằng chất dẻo

Phân loại theo phân bố chiết suất:

+ Chiết suất nhảy bậc

+ Chiết suất biến đổi

Phân loại theo modem truyền lan:

+ Sợi đơn mode

+ Sợi đa mode

Trong hệ thống thông tin đường trục sợi quang thường được sử dụng làloại sợi đơn mode chiết suất bậc(SMSI) Để có được sợi đơn mode phải thỏa

mãn điều kiện sau: V<2.045Trong đó V=

o

d



 . 2

1 2 2 1

2 n

n  , d là đường kính

quang, olà bước sóng truyền trong sợi quang

b Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

1

1'

23



t

1

n

2

n

Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượngphản xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường trongsuốt có chiết suất khác nhau Khi cho một tia sáng đi từ môi trường có chiếtsuất n1 vào môi trường chiết suất n2 (n1>n2) thì tại mặt phân cách giữa hai môi

trường xảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ như hình 1.3 Dựa vào hiệntượng phản xạ toàn phần mà ta có thể truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quangvới suy hao thấp, ở đây n1 là chiết suất của lõi sợi quang n2 là chiết suất củaphần vỏ sợi quang.

Quan hệ giữa góc tớit, góc khúc xạ k với các chiết suất n1 và n2 tuântheo định luật khúc xạ (tia số 1) :

n1.sint=n2.sink (1.1)Khi tăng góc tới t đến một giá trị  0 nào đó thì tia khúc xạ không đivào môi trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phân cách hai môitrường (tia số 2), góc  0 được xác định tương ứng với k=900

, do vậy:

n1.sin 0=n2.sink=n2.sin900=n2  sin 0=n2/n1

(1.2)

 0=arcsin(n2/n1) (1.3)Nếu tiếp tục tăng góc t> 0 thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiệntượng phản xạ toàn phần xảy ra (tia số 3), góc  0 gọi là góc tới hạn Người taứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quangkhi đó ánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phần liên tiếp trênmặt phân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang Để biểu diễn và phân tích sựtruyền dẫn ánh sáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương phápquang hình mặc dù nó chỉ mô tả một cách gần đúng hiện tượng Chính xácnhất là sử dụng phương pháp quang sóng song rất phức tạp

Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi chiết suất nhảy bậc cho trong Hình1.4

Theo định luật khúc xạ ta có:

n0.sini=n1.sinr

(1.4)

Trong đó n0 là chiết suất của không khí, ilà góc tới, rlà góc khúc xạ,

a là bán kính lõi sợi quang Giả sử  0 là góc tới hạn, nếu  > 0 thì tia sáng

đi vào lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần và chỉ truyền trong lõi sợi quang màkhông đi ra ngoài Theo công thức 1.3 ta có  0= arcsin(n2/n1) khi đó góc khúc

xạ tương ứng với góc tới hạn  0 là r0= 900 -  0 Do vậy góc tiếp nhận i0

tới hạn sẽ thoả mãn điều kiện:

n0.sini0 = n1.sinr0 = n1.sin(900 -  0) = n1.cos 0

=> n0.sini0 = n1.cos(arcsin(n2/n1)) = 2

2 2

đi ra ngoài vỏ sợi quang Như vậy chỉ các tia sáng nào nằm trong hình nón khitruyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phần liên tiếp giữa lõi và vỏ và truyềndọc theo sợi quang theo đường dích zắc Gọi  là độ lệch chiết suất tươngđối ta có:

=

1

2 1

1

2 1 2 1 2

1

2 2

2 1

n

n n n n

n n n n n

n n

=>NA=n1 2 

(1.8)

c Đặc tính truyền dẫn của sợi quang.

* Các mode trong sợi quang.

Việc giải phương trình Maxwell cho ta xác định được các thành phầnsóng ánh sáng truyền trong sợi quang Nghiệm riêng của phương trình sónggần đúng với các sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là cácmode truyền trong sợi quang Người ta chỉ quan tâm đến các mode truyền dẫn

và mong muốn trong sợi quang chỉ tồn tại mode truyền dẫn Trong một sợiquang có rất nhiều mode sóng có thể truyền lan Số mode phụ thuộc vàođường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở số NA Ta có thểxác định số cực đại mode trong sợi quang MMSI theo công thức sau[1]

Các nguyên nhân gây nên hiện tượng tán sắc trong sợi quang có thể liệt

kê như sau:

- Tán sắc vật liệu.

Trong thực tế chế tạo sợi quang chiết suất vật liệu không phải là hằng

số mà là hàm số theo bước sóng mà n = n( ) Nếu nguồn quang bức xạ phát

ra ánh sáng đơn sắc với duy nhất bước sóng  0 thì không có sự lệch thời giantruyền dẫn giữa các phần của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vận tốc

sóng khác nhau gây nên hiện tượng tán sắc vật liệu Hình 1.5 mô tả ánh sángbức xạ của LED và Laser diode.

0.5



Hình 1.5 Quan hệ P()/Pmax phụ thuộc vào 

Độ dãn xung vl bởi nguồn sáng có độ rộng phổ xác định   với bướcsóng trung tâm  0 là:

L

 (1.11)Trong đó C là vận tốc ánh sáng trong chân không

- Tán sắc mode

Chỉ đáng kể ở sợi đa mode, tán sắc mode là do các thành phần sóngtruyền theo các mode khác nhau qua sợi với khoảng thời gian khác nhau dẫnđến dãn rộng xung

Độ dãn xung đối với sợi MM-SI là:

8

nhỏ một phần ánh sáng còn được dẫn trên vỏ sợi quang gây tán sắc lớn Loạitán sắc này có ảnh hưởng lớn đến sợi SM-SI.

- Tán sắc mặt cắt

Trong thực tế không chỉ chiết suất thay đổi theo  mà độ chênh chiếtsuất vỏ - lõi cũng biến đổi theo  gây tán sắc gọi là tán sắc mặt cắt Độ dãnxung ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chếtạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang

Suy hao sợi quang

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu.Trong quá trình thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tâm tới suy haotrong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang

- Suy hao trong sợi quang

Là suy hao do bản chất của sợi quang Là tham số đóng vai trò quantrọng trong việc thiết kế hệ thống, xác định khoảng cách giữa phía phát vàphía thu Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao dotán xạ và suy hao do bức xạ Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ sốsuy hao  và được tính theo công thức sau:

Trong đó L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là công suất quang đầu vào,

Pout là công suất quang đầu ra, α được tính theo dB/km Suy hao trong sợiquang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh

- Suy hao do hấp thụ vật liệu

Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nên bảnchất suy hao của sợi quang Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gây như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

+ Hấp thụ cực tím hay còn gọi là hấp thụ điện tử

- Suy hao do tán xạ

Do tính không đồng nhất trong lõi sợi gây ra mặc dù rất nhỏ Đó là do

có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặccác khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang Ánh sáng truyền trongsợi quang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleighchỉ có ý nghĩa khi bước sóng ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán

xạ Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước sóng (λ)/P phụ thuộc vào λ4)

Hình 1.6 miêu tả các dạng suy hao trong sợi quang theo bước sóng đốivới sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh pha GeO2 Từ đó ta xác định được

ba vùng bước sóng có suy hao nhỏ gọi là ba vùng truyền dẫn

Vùng 1: Suy hao chủ yếu do tán xạ, một phần do hấp thụ, có bước sóngtrong dải λ)/P phụ thuộc vào λ = 0,8 ÷ 0,9µm, m, α = 2÷ 3 dB/km Được sử dụng trong các mạngLAN, các đường thuê bao số dịch vụ băng rộng Bước sóng trung tâm là λ)/P phụ thuộc vào λ =0,85µm, m

Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải λ)/P phụ thuộc vào λ = 1,2 ÷1,35µm, m, α = 0,3 ÷ 0,5 dB/km Được sử dụng trong các đường trung kế Bướcsóng trung tâm là λ)/P phụ thuộc vào λ = 1,3µm, m

Vùng 3: Đây là vùng có suy hao thấp nhất với dải bước sóng λ)/P phụ thuộc vào λ = 1,5 ÷1,7µm, m, α = 0,15 ÷ 0,25 dB/km Được sử dụng trong các mạng lõi có tốc độtruyền dẫn lớn Bước sóng trung tâm là λ)/P phụ thuộc vào λ = 1,55µm, m Đây là vùng bước sóngđược sử dụng chủ yếu trong các hệ thống thông tin quang

HÊp thô hång ngo¹i T¸n x¹ Rayleigh

HÊp thô cùc tÝm

Sù kh«ng hoµn h¶o cña sîi quang

Hình 1.6 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao

- Suy hao do uốn cong sợi

Là suy hao ngoài bản chất của sợi Khi bất kì một sợi quang nào bị uốncong theo một bán kính xác định thì sẽ phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi gâynên suy hao tín hiệu Có hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mô và uốncong vi mô Hiện tượng suy hao do uốn cong có thể thấy rõ nhất khi góc tớilớn hơn góc tới hạn tại các vị trí sợi bị uốn cong

+ Uốn cong vĩ mô:

Là uốn cong có bán kính uốn cong tương đương hoặc lớn hơn đườngkính sợi Bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn

+ Uốn cong vi mô:

Là hiện tượng sợi quang bị uốn cong một cách ngẫu nhiên, trường hợpnày hay xảy ra trong lúc sợi quang được bọc thành cáp

1.3.2 Thiết bị phát quang

Thiết bị phát quang là một bộ phận không thể thiếu của một hệ thốngthông tin quang Với nhiệm vụ chính là nhận tín hiệu đầu vào biến đổi thànhtín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp để truyền đi

Sơ đồ khối máy phát quang được mô tả như hình vẽ 1.7

Bé ®iÒu khiÓn

§iÒu chÕ

Nguån quang

Bé nèi quang

T×n hiÖu

®Çu vµo

TÝn hiÖu quang ®Çu ra

Hình 1.7 Sơ đồ khối của máy phát quang

Các thành phần của một máy phát quang:

a Bộ điều khiển

Thực chất là một mạch điện có chức năng cung cấp một năng lượngđiện cho nguồn quang và chế độ công tác của nó Các mạch này thường kháđơn giản đối với các thiết bị phát quang sử dụng diode phát quang(LED)nhưng lại khá phức tạp đối với các máy phát quang tốc độ cao có sử dụngnguồn quang là bán dẫn laser, bởi vì nguồn phát quang sử dụng bán dẫn lasermạch điện điều khiển cần cung cấp một điện áp cố định và mạc ổn định điểmlàm việc và ổn định nhiệt cho laser

b Nguồn quang

Là thành phần chủ yêú nhất của máy phát quang Các nguồn được sửdụng phổ biến là diode phát quang LED và diode laser bán dẫn (LD) Đây lànguồn phát quang có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy cao,dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương ứng với kích thước lõi sợi vàkhả năng điều chế trực tiếp tại các tần số tương đối cao

Diode phát quang LED là một nguồn phát quang sử dụng rất phù hợp vớicác hệ thống thông tin quang có tốc độ bít không quá 200 Mb/s sử dụng sợiquang đa mode Có hai kiểu cấu trúc LED được sử dụng rộng rãi nhất là cáccấu trúc tiếp giáp thuần nhất và cấu trúc tiếp giáp dị thể kép Căn cứ vàonhiều yếu tố như năng lượng vùng cấm và bước sóng trong vùng cấm của vậtliệu chế tạo LED mà người ta sử dụng các loại vật liệu khác nhau cho cácvùng bước sóng khác nhau

Diode laser bán dẫn LD thường được sử dụng trong hệ thống thông tinquang có tốc độ cao như các mạng thông tin đường trục Thực tế sử dụng

trong hệ thống hiện nay là các loại LD có cấu trúc dị thể Do nhu cầu phảiphát tia laser nên cấu trúc của LD phức tạp hơn so với LED.

c Bộ điều chế

Thực hiện điều chế tín hiệu điện nguồn phát quang và tuỳ theo từng hệthống mà sử dụng điều chế IM/DD hoặc sử dụng hệ thống điều chế ngoài

d Bộ nối vào kênh quang

Thông thường bộ nối vào kênh quang là một hệ thống thấu kính hội tụ

có tiêu điểm hướng tín hiệu quang vào trong sợi cáp quang với hiệu quả lớnnhất có thể

1.3.3 Thiết bị thu quang

Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trong

hệ thống thông tin quang Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thu tínhiệu trên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ở dạngban đầu Do thiết bị thu quang ở vị trí sau cùng của một tổ chức truyền dẫnnên nó sẽ thu nhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy mà hoạt độngcủa thiết bị thu quang ảnh hưởng tới chính chất lượng của toàn bộ hệ thốngtruyền dẫn Cho nên yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khá cao, như đòihỏi độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tin cậy cao Cấuhình của một thiết bị thu quang được mô tả qua hình 1.8

Nèi vµo kªnh

T¸ch sãng kªnh

Gi¶i ®iÒu chÕ

Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị thu quang

a Bộ nối vào kênh

Giống như trong bộ phát quang, nhưng ở đây là bộ ghép nối của thiết bịthu quang thực hiện chức năng ngược lại

b Bộ tách sóng quang

Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thu nhận được từ bộ nối vào kênh

thành tín hiệu điện cùng dạng như tín hiệu đưa vào đầu của thiết bị phátquang Các thiết bị sử dụng để làm nhiệm vụ trên thông thường là cácphotodiode Hiện nay được dùng phổ biến là photodiode-PIN và photodiode-APD hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang điện

c Khối giải điều chế

Thường sử dụng hai phương pháp giải điều chế là IM/DD và tách sóngCoherent Đối với phương pháp IM/DD thì khối giải điều chế suy biến vàotrong bộ tách sóng, khi đó không cần sử dụng các mạch điện tử phụ bênngoài Đối với phương pháp Coherent thì khối giải điều chế là một khối riêngbiệt kết hợp sử dụng các mạch điện tử nhằm duy trì điều chế kết hợp giữa thu

và phát, duy trì việc đồng bộ sóng mang quang

d Độ nhạy của thiết bị thu quang

Là mức công suất quang trung bình thu được nhỏ nhất có thể chấp nhậnđược tại điểm tham chiếu trên sợi quang ở ngay trước bộ nối quang phía thu

mà vẫn duy trì được một tỷ lệ lỗi bít (BER) xác định trước Đây là yếu tốquan trọng nhất đánh giá khả năng và chất lượng của hệ thống thông tinquang

1.3.4 Các trạm lặp

Các trạm lặp được thiết kế và sử dụng khi cự ly truyền dẫn dài, số trạmlặp tuỳ theo khoảng cách cự ly truyền dẫn, loại điện quang Ta có sơ đồ khốicủa trạm lặp như sau:

Hình 1.9 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang

Tín hiệu quang được đưa vào bộ biến đổi quang điện (O/E) để biến đổithành tín hiệu điện, tín hiệu điện được đưa vào bộ khuếch đại và sửa méo đểkhôi phục lại cường độ tín hiệu, sau đó tín hiệu điện được đưa qua bộ biến đổiđiện quang (E/O) để tạo lại tín hiệu quang và đưa ra sợi quang Hình 1.10 thểhiện sơ đồ khối chức năng của một trạm lặp điện quang.

Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộkhuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dâypha tạp Eribum (EDFA) Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quátrình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang

Hình 1.10 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang

KĐ,san bằng

Tái Táisinh sinhbiên độ

độ rộng

Kíchthích

Khối nghiệp vụ

Khôi phục Clock

Điều khiển Laser KĐ

phép tách ghép trực tiếp các luồng tín hiệu quang mà không cần thông quaquá trình biến đổi O/E và E/O như trong thiết bị ADM

1.4 Các tham số của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang cũng có một số các tham số nhất định để choquá trình thu cũng như phát tín hiệu quang được đảm bảo Thông thường người ta quan tâm tới các tham số chính sau:

a Các tham số điện quang

+ (S/N)e và (C/N)e là tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tỉ số sóng mang trênnhiễu được đo và xác định về phía điện của hệ thống điện quang, đó chính là

tỉ số của điện áp, dòng điện hoặc công suất điện Tham số tỷ lệ lỗi bit BERcủa hệ thống truyền dẫn số luôn được đo sau bộ tách sóng quang tương ứngvới tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N

+ Độ rộng băng tần điện (BW)e là khoảng tần số trong đó đáp ứng củatín hiệu như hệ số khuyếch đại, tỉ số dòng điện hay điện áp nằm trong giới hạnxác định

+ (S/N)O và (C/N)O là tỉ số tín hiệu và sóng mang trên nhiễu được đo vàxác định tại cổng quang của hệ thống tương ứng

+ Độ rộng băng tần quang (BW)O là khoảng tần số mà tại đó mức côngsuất quang nằm trong giới hạn xác định

Trong đó Pra và Pvao là công suất ra và công suất vào của từng thiết bị,

độ tổn hao của toàn tuyến bằng tổng tổn hao của các thành phần trong hệthống

Để nhận biết được mối quan hệ của công suất phát Ps và độ nhạy máythu PD thì thông thường các giá trị này được biểu diễn bằng µm, w có thể đưa vềbiểu diễn qua đại lượng dB trong thang đo logarit theo các biểu thức sau:

Vì vậy phương trình cơ bản của toàn tuyến : PS-PD=ΣL+Pdự trữ

Muốn tuyến truyền dẫn hoạt động tốt thì hiệu công suất lối ra của máyphát và độ nhạy máy thu phải lớn hơn tổng suy giảm trên toàn tuyến, ngoài racũng cần phải có một lượng đự trữ công suất cho toàn tuyến

c Độ tổn hao của tuyến

Độ tổn hao của tuyến có thể chia ra làm hai thành phần như đã đượctrình bày ở phần trước mà trong đó ta chủ yếu quan tâm tới suy hao do bảnthân sợi quang Độ suy hao được xác định qua hệ số α(dB/km)

1.5 Kết luận chương

Ở chương này ta tìm hiểu các thành phần cơ bản của hệ thống thông tinquang Các nguyên tắc biến đổi tín hiệu thành tín hiệu quang và ngược lại.Cấu trúc sợi quang, nguyên tắc truyền ánh sáng trong sợi quang Các yếu tốảnh hưởng đến sự truyên ánh sáng trong sợi quang như suy hao, tán sắc

Chương 2 Tổng quan về hệ thống WDM

2.1 Cơ sở kỹ thuật

2.1.1 Giới thiệu chung

Những năm gần đây, các dịch vụ thông tin ngày càng phát triển, yêucầu về dung lượng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời chất lượng truyền dẫnngày càng khắt khe hơn

Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thỏa mãn yêu cầutính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiêncứu, triển khai thí nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến côngnghê TDM,WDM,…

Với công nghệ TDM dung lượng của hệ thống có thể đạt đến 5Gbps,tuy nhiên đây cũng là giới hạn dung lượng cua công nghệ này.Với những gìkhông đạt được của công nghệ TDM về mặt dung lượng thì hệ thống thôngtin quang dựa trên công nghệ WDM lại đáp ứng được

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM(Wavelength

Division Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bước sóng khác

nhau trên một sợi quang, với dung lượng trên một bước sóng quang điển hình

là 2,5Gbps Số lượng ghép thường là (2 - 16) bước sóng (trong tuơng lai, con

số này còn lớn hơn) Ở đầu vào, các bước sóng quang mang thông tin (cáckênh quang) được ghép trên cùng một sợi quang và được truyền dẫn tới đầuthu Tại đầu thu, các bước sóng ghép đó được tách ra bằng các bộ tách kênhquang Dọc theo tuyến truyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù lạisuy hao truyền dẫn Công nghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao

mà không quá phức tạp

Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM

Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang1550nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm - 1600 nm, tương ứngvới dải tần rộng cỡ 12,5 THz

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rấtnhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêu cầu

cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM.Thêm vào đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghépquang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựachọn kênh động hoặc tĩnh…

Các công nghệ khác như TDM, truyền dẫn Soliton thì dung lượng đượcđáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp, bởi thế mà giá thành hệ thống lại trởthành vấn đề đáng quan tâm

Công nghệ WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lượng phát triển dịch vụbăng rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiệntruyền dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cápsợi quang nói riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung Thực sự, nó làcông nghệ đáng được quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi

2.1.2 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang

Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang đã tiến hóa qua vài thập niên qua, từ hệthống WDM điểm nối điểm tới các hệ thống WDM điểm nối đa điểm và tiến

tới mạng WDM toàn quang với các thiết bị chuyển mạch và định tuyến bướcsóng Qua đó ngày càng cung cấp tốc độ bit cao, số lượng kênh cũng lớn hơn

và khoảng cách truyền dẫn dài hơn

* TDM (Time Division Multiplexing)

TDM là phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian Đây làphương pháp giúp tăng số lượng tín hiệu được gửi trên đường truyền vật lý.TDM làm tăng dung lượng đường truyền dẫn bằng cách chia thời gian thànhnhững khe nhỏ hơn, do đó các bit từ nhiều nguồn khác nhau có thể đượcmang đi trên một tuyến, làm tăng hiệu quả số các bit được truyền trên giây

Hình 2.2 Ghép kênh theo thời gian

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

* SONET/SDH

SONET (Sychronous Optical Network: Mạng không đồng bộ) là mộtchuẩn của American National Standards Institute để truyền dữ liệu đồng bộtrên môi trường truyền là cáp sợi quang Tương đương với SONET về mặtquốc tế là SDH Cùng nhau, chúng đảm bảo các chuẩn sao cho các mạng số

có thể nối với nhau trên bình diện quốc tế và các hệ thống truyền quy ướcđang tồn tại có thể nắm được lợi thế của môi trường cáp sợi quang.

SONET/SDH lấy các luồng n bit, ghép chúng lại, điều chế quang tínhiệu và sử dụng thiết bị phát quang để gửi nó ra ngoài với một tốc độ bit

tương đương với: (tốc độ bit vào) * n Vì vậy lưu lượng đi đến bộ ghép kênh

SONET từ bốn đầu vào với tốc độ 2,5Gbps sẽ đi ra như một luồng đơn ở tốc

độ 4*2,5 Gbps = 10 Gbps Nguyên tắc này được minh họa trong hình 2.3

Hình 2.3 Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET

SONET cung cấp các chuẩn cho một số lượng lớn các tốc độ truyền(tốc độ truyền thực tế vào khoảng 20 Gbps) SONET định nghĩa một tốc độ

cơ sở là 51,84 Mbps và một tập tốc độ cơ sở được biết dưới tên Ocx (OpticalCarrier levels) Trong đó OC-192 là một tốc độ của SONET nối liền với mộttốc độ tải (payload rate) bằng 9,584640 Gbps, chủ yếu được sử dụng trongmôi trường WAN

SONET có một số hạn chế giống như với hệ thống TDM Thứ nhất,khái niệm về độ ưu tiên và tắc nghẽn không tồn tại trong SONET Thứ hai,việc ghép kênh phân cấp khá cứng nhắc ở SONET Ví dụ như nấc tiếp theocủa STS-192 (10 Gbps) là STS 768 (40 Gbps) Vì hệ phân cấp số được tối ưucho lưu lượng tiếng nói, nên sẽ không hiệu quả khi mang dữ liệu trong cáckhung SONET

* Gigabit Ethernet

Khởi nguồn từ hơn 25 năm qua, Ethernet đã đáp ứng được nhu cầungày càng tăng cho các mạng chuyển mạch gói Do chi phí thấp, độ tin cậy đã

được thử thách trong nhiều năm, việc cài đặt và bảo trì tương đối đơn giản,nên hiện nay Ethernet là nghi thức được dùng cho mạng nội bộ phổ biến nhấttrên thế giới hiện nay Ethernet có tốc độ lên đến 100 Mbps, mang lại hiệuquả về mặt kinh tế cho các kết nối máy chủ và xương sống.

Công nghệ Ethernet 10 Gigabit được xây dựng trên nghi thức Ethernet,nhưng có tốc độ nhanh gấp 10 lần Ethernet (1000 Mbps) Ethernet Gigabitđược triển khai như một công nghệ xương sống cho các mạng đô thị Đối vớimạng diện rộng WAN, Ethernet 10 Gigabit cho phép các ISP (InternetService Provider) và NSP (Network Service Provider) tạo ra các liên kết tốc

độ rất cao với giá thành thấp từ các bộ chuyển mạch và các bộ định tuyếntrong phạm vi công ty cho đến thiết bị quang gán trực tiếp vào SONET/SDH.Công nghệ Ethernet Gigabit hỗ trợ cả cáp sợi quang đơn mode và đa mode.Tuy vậy, Các khoảng cách được hỗ trợ tùy vào các kiểu cáp sợi quang vàbước sóng được thực thi trong ứng dụng

Tuy vậy, Ethernet Gigabit không mang lại sự đảm bảo về chất lượngdịch vụ hay khả năng chịu lỗi

2.1.3 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh

Để đáp ứng được các đòi hỏi của dịch vụ mạng, trong vài năm trở lạiđây, công nghệ thông tin đã đạt được những tiến bộ đáng chú ý, trong đó nổibật là sự xuất hiện của các hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang Trongcác hệ thống này, tín hiệu có thể truyền đồng thời nhiều luồng trong một sợiquang nhằm tăng dung lượng của tuyến truyền dẫn Các hệ thống này đượcgọi là hệ thống thông tin quang nhiều kênh

Trên thực tế, sự ra đời của các hệ thống đa kênh đã giải quyết đượcnhững hạn chế của hệ thống đơn kênh, đồng thời cũng tận dụng được nhữngcông nghệ hiện có để phát triển mạnh mẽ Cụ thể là:

Thứ nhất, đối với hệ thống đơn kênh, thì tốc độ đạt tới mức khoảng vàitrục Gbit/s thì khoảng cách tuyến truyền dẫn sẽ bị rút ngắn lại, các thiết bịđiện tử sẽ đạt đến giới hạn của nó và không đáp ứng được các xung tín hiệu

cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí dành cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫntrở nên tốn kém vì cấu trúc, thuật toán phức tạp và đòi hỏi các thiết bị có côngnghệ cao Do đó, các hệ thống quang đa kênh có thể khắc phục được nhữngnhược điểm đó Các phần tử quang sẽ thay thế hoạt động của các thiết bị điện

tử, do đó sẽ xử lý tín hiệu nhanh hơn

Thứ hai, kỹ thuật ghép kênh quang được sử dụng sẽ tận dụng được phổcủa laser, tận dụng được băng tần rất lớn của sợi quang Để tận dụng đượcbăng tần rất lớn của sợi quang hiện tại hệ thống quang đa kênh chủ yếu sửdụng hai công nghệ:

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM)

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng (WDM)

Các hệ thống thông tin quang WDM đã được thương mại hóa và hoạtđộng có hiệu quả từ năm 1996 Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽđược ưa chuộng hơn vì chi phí kỹ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thốngTDM tương đối cao

2.1.4 Nguyên lý cơ bản của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM [3]

a, Định nghĩa

WDM (Wavelength Division Multiplexing - ghép kênh theo bướcsóng) là công nghệ “trong một sợi quang truyền dẫn nhiều tín hiệu quang vớinhiều bước sóng khác nhau” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóngkhác nhau được tổ hợp lại(ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang.Ở đầuthu, tín hiệu được tổ hợp đó được phân giải ra( tách kênh), khôi phục lại tínhiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

b, Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang(WDM) là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổnhao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của

hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Ở đâyviệc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu

của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa

đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tinquang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đóngười ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng caotốc độ truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện

tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào

đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phứctạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng rađời đã khắc phục được những hạn chế trên

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang đểmang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyềnđồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗibước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDMphát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là mộtphần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênhtheo bước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành phần thiết bị trước kia chỉ cókhả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc

độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET).Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việctruyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây

đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàngtrăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hìnhthức cấu thành hệ thống WDM đó là:

* Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quangcùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 2.4), ở đầuphát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế  1,  2

, , n thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiềutrên một sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác

nhau, do đó sẽ không lẫn lộn Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu

có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh Ởchiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

Hình 2.4 Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang

* Truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, cáckênh quang tương ứng với các bước sóng λ)/P phụ thuộc vào λ1, λ)/P phụ thuộc vào λ2, , λ)/P phụ thuộc vào λn qua bộ ghép/tách kênhđược tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng

về các bước sóng λ)/P phụ thuộc vào λn+1, λ)/P phụ thuộc vào λn+2, , λ)/P phụ thuộc vào λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xemhình2.5) Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều(song công)

Hình 2.5 Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng một sợi quang

Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triểntương đối rộng rãi Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu pháttriển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Ởphía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tớiđầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy vớidải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách lykênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ táchkênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóngcắt chính xác, dải làm việc ổn định.

Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây

ra suy hao truyền dẫn Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp,cần phải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần

tử ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng cóthể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suygiảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêmtrọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệthống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến

Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bướcsóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Nhưvậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thườngđược sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trườnghợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng Người ta chia loạithiết bị OWDM làm ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX) vàcác bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được

sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ baMUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng.Hình 2.6 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp

Hình 2.6 Mô tả thiết bị ghép tách hỗn hợp MUX-DEMUX

2.1.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấynhững ưu điểm nổi trội:

Dung lượng lớn truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứngvới tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyềndẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng

hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thửnghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệthống TDM đơn kênh tốc độ cao

Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyềndẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bướcsóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làmgiảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do

đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

Ik(λ)/P phụ thuộc vào λk)

Ii(λ)/P phụ thuộc vào λi)

Các tín hiệu được ghép

Các tín hiệu được tách

Sợi dẫn quangO(λ)/P phụ thuộc vào λk)

I(λ)/P phụ thuộc vào λi)