Triển khai truyền dẫn WDM trên tuyến cáp quang trục bắc nam luận văn tốt nghiệp đại học

nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang.Trong các hướng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóngWDM là

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Phúc Ngọc

Sinh viên thực hiện : Hồ Công Dũng

Lớp : 48K-ĐTVT

Nghệ An 1/2012

MỤC LỤC Trang

2.2.2 Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 32

MỞ ĐẦU

Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triển mạnh mẽ của xã hội loài người, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiệnthiết yếu để phát triển kinh tế Thời gian qua nền kinh tế nước ta đã chuyển biến tích cực, hòa nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới Xu thế toàn cầu hóa về thương mại và thông tin đòi hỏi phát triển những xa lộ thông tin thõa mãn những nhu cầu và dịch vụ

Để tạo ra một cở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thông, hệ thống truyền dẫn này ngày càng được cải tiến và nâng cao về năng lực Từ khi ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với băng thông gần như vô hạn và rất nhiều ưu điểm khác Các hệ thống truyền dẫn hiện mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu về điện gặp

nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang.

Trong các hướng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng(WDM) là một công nghệ khai thác được tài nguyên của sợi quang,khắc phục được các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện Phương pháp ghépkênh theo bước sóng còn có ưu điểm là rất linh hoạt trong việc tăng dung lượng, tận dụng triệt để các hệ thống cap quang hiện tại

Với hàng loạt ưu điểm đó, ghép kênh theo bước sóng được nghiên cứu áp dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyến trung kế, liên quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ Hiện công nghệ này đang được nghiên cứu áp dụng nhiều ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản, hệ thống truyền dẫn đường trục Bắc-Nam của nước ta hiện đang được nghiên cứu để ápdụng công nghệ này.Ghép kênh theo bước sóng là một công nghệ mới, đã được áp dụng tại một số nơi trên thế giới Muốn áp dụng công nghệ này vào thực tiễn cần phải nắm được kỹ thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênh theo bước sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng và các yêu cầu của nó, các ưu khuyết điểm của hệ thống này so với hệ thống truyền dẫn hiện tại Đây cũng chính là mục đích của đề tài nghiên cứu

Trong khuôn khổ của một đề tài nghiên cứu khoa học ứng dụng trong thực tế, với mong muốn giới thiệu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng, em tìm hiểu và phân tích nguyên nhân hình thành WDM, các tham

số và các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống và cuối cùng xây dựng phương án ghép kênh quang theo bước sóng cho tuyến trục Bắc – Nam

Trong quá trình làm đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong các bạn cùng quý thầy cô đóng góp thêm ý kiến để em hoàn thiện hơn trong

đồ án

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢIChương 2: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC

SÓNG WDM

Chương 3: TRIỂN KHAI TRUYỀN DẪN WDM TRÊN TUYẾN CÁPQUANG TRỤC BẮC- NAM

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TH.S Nguyễn Phúc

Ngọc cùng các bạn trong nhóm đồ án đã giúpđỡ em trong quá trình làm đồ án.

Em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM hiện đang được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới và sẽ trở thành phương tiện để thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật thông tin quang trong tương lai Kỹ thuật WDM có thể ghépnhiều bước sóng, tận dụng băng thông rất rộng và khả năng dẫn sóng của sợi được những yêu cầu về truyền dẫn tốc độ cao

Có nhiều phương pháp ghép kênh như ghép kênh theo thời gian, tần số… các thiết bị WDM được cải tiến về công nghệ và đạt được những chỉ tiêu kỹ thuật tốt.Một số thiết bị WDM khác như bộ ghép kênh xen rẽ, bộ khuếch đại quang, bộ nối chéo quang…được sử dụng để ghép/tách các bước sóng khác nhau

Để nâng cấp dung lượng truyền dẫn trên tuyến đường trục Bắc – Nam, sửdụng công nghệ WDM có nhiều ưu điểm nhất Do đó, WDM sẽ là phương

pháp được sử dụng để nâng cấp dung lượng tuyến đường trục và phát triển hệthống thông tin cáp sợi quang ở Việt Nam.

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DFB Distributed feedback Hồi tiếp phân tán

Erbium

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỢI 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang sợi

Các hệ thống thông tin thực hiện chức năng truyền tin tức từ nơi này đếnnơi khác Thông tin thường được truyền đi nhờ các sóng mang có tần số cóthể từ vài MHz đến hàng trăm THz Với thông tin quang từ các tần số cómang tải thông tin cao cỡ 100THz, trong dải ánh sáng nhìn thấy hoặc dảihồng ngoại

Về cơ bản tổ chức hệ thống thông tin quang cũng tương tự như hệ thốngthông tin khác như vô tuyến, viba, cáp kim loại và vệ tinh chỉ khác ở các hệthống con về phía phần quang và môi trường truyền dẫn Một hệ thống thôngtin quang bao gồm: phần phát quang, phần truyền dẫn quang, phần thu quang.Cấu hình hệ thống thông tin quang được mô tả như Hình 1.1

Hình 1.1 Cấu hình hệ thống thông tin quang sợi

Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiểnphát quang

Phần thu quang bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuếch đại điện vàmạch khôi phục tín hiệu

Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, các trạmlặp, các trạm tách và gộp quang

Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang

có thể là Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED) Tín hiệu quangphát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với biến đổi củatín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự.Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệuquang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang.Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế

tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến

900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ơ vùng 1100 nm đến 1600 nm

Tín hiệu quang sau khi đã được điều chế ở khối nguồn phát sẽ lan truyềndọc theo sợi dẫn quang Trong quá trình lan truyền, tín hiệu quang có thể bịsuy hao và méo dạng qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các yếu

tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc Độ dài của tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suyhao sợi quang theo bước sóng

sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm Suy hao tại 3 vùng cửa sổ bước sóng trên

là thấp nhất Vì vậy truyền dẫn qua sợi quang chủ yếu là sử dụng các bướcsóng ở cửa sổ này

Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cầnphải đặt thêm các trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu trạm lặp gồm cácthiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện và biến đổi điện - quang vàtiếp tục truyền vào sợi quang Các trạm lặp này có thể thay thế bằng các bộkhuếch đại quang

Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênhphục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát,biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sửdụng các photodiode PIN hoặc APD Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thuquang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ởmột tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít (BER) cho phép

1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang

1.2.1 Phân loại theo dạng tín hiệu

Tuỳ theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến nguồn quang là tín hiệutương tự hay 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 hóa nên chủ yếu hiện nay

sử dụng hệ thống thông tin quang số chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫn còndùng hệ thống thông tin quang tương tự Ví dụ như hệ thống truyền hình cáp

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

Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầuthu có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:

+ Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): hệ thống này sử dụngphương pháp 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

Sợi quang là những sợi nhỏ trong suốt được chế tạo từ sợi thuỷ tinhhoặc sợi tổng hợp để truyền ánh sáng Cấu trúc của các loại sợi quang chotrong Hình 1.2 Tuỳ theo cấu trúc, đặc tính truyền dẫn của sợi quang có thểphân loại sợi quang theo nhiều cách khác nhau.

Hình 1.2 Cấu trúc các loại sợi quang

Phân loại theo vật liệu chế tạo sợi quang: sợi quang làm bằng thuỷ tinhthạch anh, sợi quang làm thuỷ tinh hỗn hợp, sợi quang làm bằng chất dẻo.Phân loại theo phân bố chiết suất: chiết suất nhẩy bậc, chiết suất biến đổi.Phân loại theo mode truyền lan: sợi đơn mode, sợi đa mode [6]

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 thoảmãn điều kiện sau: V < 2.045

1 n

sóng truyền trong sợi quang

1.3.1.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng

Sợi đa mode chiết suất biến đổi SI-MM

Hình 1.3 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản

xạ toàn phần của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt cóchiết suất khác nhau Khi cho một tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1

vào môi trường chiết suất n2 (n1>n2) thì tại mặt phân cách giữa hai môi trườngxảy ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ như Hình 1.3 Dựa vào hiện tượng phản

xạ toàn phần mà ta có thể truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quang với suy haothấp, ở đây n1 là chiết suất của lõi sợi quang n2 là chiết suất của phần vỏ sợiquang

Quan hệ giữa góc tớiθt, góc khúc xạ θk với các chiết suất n1 và n2 tuântheo định luật khúc xạ (tia số 1) :

n1.sinθt=n2.sinθk (1.1)Khi tăng góc tới θt đến một giá trị θ0 nào đó thì tia khúc xạ không đi vàomôi trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phân cách hai môi trường(tia số 2), góc θ 0 được xác định tương ứng với θk=90 0 , do vậy:

n1.sinθ 0=n2.sinθk=n2.sin900=n2 ⇒sinθ0=n2/n1 (1.2)

θ 0=arcsin(n2/n1) (1.3)

Nếu tiếp tục tăng góc θt>θ 0 thì chỉ còn tồn tại tia phản xạ và hiện tượng

phản xạ toàn phần xảy ra (tia số 3), góc θ 0 gọi là góc tới hạn Người ta ứng

dụng hiện tượng phản xạ toàn phần để truyền ánh sáng trong sợi quang khi đóánh sáng truyền trong sợi quang phải phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặtphân cách giữa lõi và vỏ của sợi quang Để biểu diễn và phân tích sự truyềndẫn ánh sáng trong sợi quang người ta có thể sử dụng phương pháp quanghình mặc dù nó chỉ mô tả một cách gần đúng hiện tượng Chính xác nhất là sửdụng phương pháp quang sóng song rất phức tạp

Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi chiết suất nhảy bậc cho trong Hình 1.4

Hình 1.4 truyền sóng ánh sáng trong sợi SI

Theo định luật khúc xạ ta có:

n0.sinθi=n1.sinθr (1.4)Trong đó n0 là chiết suất của không khí, θilà góc tới, θrlà góc khúc xạ, a

là bán kính lõi sợi quang Giả sử θ 0 là góc tới hạn, nếu θ >θ0 thì tia sáng đivào 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 θ 0= arcsin(n2/n1) khi đó góc khúc

xạ tương ứng với góc tới hạn θ 0 là θr0= 900 - θ 0 Do vậy góc tiếp nhận θi0 tới

hạn sẽ thoả mãn điều kiện:

n0.sinθi0 = n1.sinθr0 = n1.sin(900 - θ 0) = n1.cosθ0

NA được gọi là mặt mở số của sợi quang, góc tiếp nhận cực đại của sợiquang θi0 sẽ tạo thành một hình nón trong đó các tia sáng đi vào tiết diện của

sợi quang với góc θi>θi0 nằm ngoài hình nón sẽ không truyền trong lõi mà 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 dịch rắc Gọi ∆ là độ lệch chiết suất tương đối

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)

1.3.1.3 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 [2]

Độ tán sắc trên một đơn vị dài =

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

=

λ

n

c

=const Tuy nhiên LED và Laser diode thường bức xạ ra nhiều bước sóng

khác nhau gây nên hiện tượng tán sắc vật liệu Hình 1.5 mô tả ánh sáng bức

xạ của LED và Laser diode

P( )/Pmax 1

0.5

λ

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

sóng trung tâm λ 0 là:

d

n d c

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

. 2

1∆ (1.13)

* Tán sắc đường truyền

truyền dẫn với λ khác nhau gây tán sắc Khi d lớn dẫn đến tán sắc nhỏ Khi dnhỏ 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

suất vỏ - lõi cũng biến đổi theo λ 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 α và được tính theo công thức sau:

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 bản chấtsuy 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 cónhững thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng nhất về cấu trúc hoặc cáckhiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi quang Ánh sáng truyền trong sợiquang bị tán xạ ra các hướng và gây ra tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh chỉ

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 (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=0,8 ÷ 0,9µm, α=2 ÷ 3 dB/km Được sử dụng trong các mạng

LAN, các đường thuê bao số dịch vụ băng rộng Bước sóng trung tâm là λ =0,85µm.

Vùng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, có bước sóng trong dải

λ=1,2÷1,35µm, α=0,3÷0,5 dB/km Được sử dụng trong các đường trung kế.Bước sóng trung tâm là λ=1,3µm

Vùng 3: Đây là vùng có suy hao thấp nhất với dải bước sóng

λ=1,5÷1,7µm, α=0,15÷0,25dB/km Được sử dụng trong các mạng lõi có tốc

độ truyền dẫn lớn Bước sóng trung tâm là λ=1,55µm 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 Nhiệm vụ chính của nó là nhận tín hiệu đầu vào và biến đổithành tín hiệu quang ở bước sóng công tác phù hợp Sơ đồ khối máy phátquang được mô tả qua Hình 1.7

Hình 1.7 Các thành phần của một máy phát quang

1.3.3 Thiết bị thu quang

Thiết bị thu quang cũng là một thành phần không thể thiếu được trong hệthống thông tin quang Nhiệm vụ chính của thiết bị thu quang là thu tín hiệutrên sợi quang và biến đổi tín hiệu quang đó thành tín hiệu điện ở dạng banđầu Do thiết bị thu quang ở vị trí sau cùng của mộ tổ chức truyền dẫn nên nó

sẽ thu nhận mọi tác động của toàn tuyến đưa tới, vì vậy mà hoạt động củathiết bị thu quang ảnh hưởng tới chính chất lượng của toàn bộ hệ thống truyềndẫn Cho nên yêu cầu đối với các thiết bị thu quang là khá cao, như đòi hỏi độnhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ, độ tin cậy cao Cấu hìnhcủa một thiết bị thu quang được mô tả qua Hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị thu quang

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

bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đườngdây pha tạp Eribum (EDFA) Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cầnquá trình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệuquang

Nối vào kênh

Tách sóng kênh

Giải điều chế

Các mạch điện tử

Tín hiệu

quang

Tín hiệu điện

O/E

Khuếch đại

và sửa méo

Sợi quangBiến đổi

E/O

Tái sinh biên độ

Tái sinh

độ rộng

Kích thích

Điều khiển Laser

Khôi phục Clock

Khối nghiệp vụ

1.4 Cỏc tham số của hệ thống thụng tin quang

Hệ thống thụng tin quang cũng cú một số cỏc tham số nhất định để choquỏ trỡnh thu cũng như phỏt tớn hiệu quang được đảm bảo Thụng thườngngười ta quan tõm tới cỏc tham số chớnh sau:

1.4.1 Cỏc tham số điện quang

+ (S/N)e và (C/N)e là tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu và tỉ số súng mang trờnnhiễu được đo và xỏc định về phớa điện của hệ thống điện quang, đú chớnh là

tỉ số của điện ỏp, dũng điện hoặc cụng suất điện Tham số tỷ lệ lỗi bit BERcủa hệ thống truyền dẫn số luụn được đo sau bộ tỏch súng quang tương ứngvới tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu S/N

+ Độ rộng băng tần điện (BW)e là khoảng tần số trong đó đáp ứngcủa tín hiệu như hệ số khuyếch đại, tỉ số dòng điện hay điện áp nằm trong giớihạn xác định.

+ (S/N)O và (C/N)O là tỉ số tín hiệu và sóng mang trên nhiễu được đo

và xác định tại cổng quang của hệ thống tương ứng

công suất quang nằm trong giới hạn xác định

1.4.2 Các tham số quang

+ Công suất yêu cầu tối thiểu của nguồn quang: Mỗi thiết bị trênđường truyền luôn có tổn hao nhất định và có thể biểu diễn bằng một hàmtruyền:

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

thu PD thì thông thường các giá trị này được biểu diễn bằng µw 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

1.4.3 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 bản

1.5 Giới thiệu một số loại sợi quang mới

1.5.1 Nguyên tắc tạo sợi quang mới.

Qua khảo sát người ta nhận thấy suy hao của các sợi quang nhỏ nhất là

ở vùng bước sóng 1550nm và lớn ở vùng bước sóng 1300nm, tuy nhiên tạivùng bước sóng 1550nm thì tán sắc lại là lớn và ở vùng bước sóng 1300nmthì tán sắc lại là nhỏ nhất Một câu hỏi đặt ra là tại sao không kết hợp các yếu

tố trên để tạo ra một loại sợi quang có giá trị suy hao và tán sắc là tối ưu nhất?

Biện pháp được lựa chọn là điều chỉnh các tham số cơ bản của sợi nhằm dịchchuyển tán sắc tối thiểu tới bước sóng có suy hao nhỏ Do chủ yếu sợi triểnkhai trên đường trục là sợi đơn mode nên người ta chỉ hướng tới nghiên cứu

về sợi đơn mode

Đối với sợi quang đơn mode thì chỉ có tác động của tán sắc vật liệu vàtán sắc dẫn sóng Tán sắc vật liệu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và khó có thểthay đổi được nhiều, chỉ có tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào tỉ lệ giữa đườngkính với bước sóng công tác và độ chênh chiết suất Căn cứ vào đặc điểm đócùng với ý tưởng ở trên người ta nghiên cứu và đề xuất ra hai cấu tạo sợi làsợi có tán sắc dịch chuyển và sợi có tán sắc phẳng Hình 1.11 mô tả biến thiênchỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode: sợi tiêu chuẩn (sợi đơn mode thôngthường G.652) có tán sắc tối ưu tại bước sóng 1300nm, sợi có tán sắc dịchchuyển và sợi có tán sắc phẳng

Hình 1.11 Các mặt cắt chỉ số chiết suất của ba loại sợi đơn mode chính

1.5.2 Các loại sợi quang mới

Trên cơ sở những phân tích ở trên thì người ta đã thiết kế và chế tạođược hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trên các hệ thống thông tinquang, đó là sợi quang đơn mode có tán sắc dịch chuyển (DSF) và sợi quangđơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyểnkhác không (NZ-DSF)

+ Sợi DSF có bước sóng trung tâm gần bước sóng 1550nm mà tại đótán sắc bằng không Sợi này có suy hao và tán sắc rất nhỏ

+ Sợi NZ-DSF là sợi quang đơn mode có giá trị tán sắc nhỏ nhưngkhông bằng không trong vùng bước sóng 1550nm Sợi này có giá trị suy haotương tự như sợi đơn mode thông thường nhưng tán sắc rất nhỏ Ưu điểm nổi

trội của NZ -DSF là giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến và giảm tánsắc phân cực mode Có hai loại sợi +NZ-DSF và –NZ-DSF.

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG WDM

2.1 Cơ sở kĩ thuật WDM

2.1.1 Giới thiệu

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng quang(WDM: Wavelength Division Multiplexer) là tận dụng hữu hiệu nguồn tàinguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, làmtăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời làm giảm giá thành củakênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không

có quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăngdung lượng truyền dẫn Ngoài ý đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năngxây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đườngtruyền đạt tới một mức nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của cácmạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trămGbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xungtín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và

cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênhquang theo bươc sóng ra đời 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 một

thep 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 2,5Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET:Sychronouns Digital Hierarchy/ Sychronouns Optical Network - cấp số đồngbộ/ mạng quang đồng bộ) Các nhà cung cấp DWDM (Density WavelengthDivision Multiplexer) 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 một sợi và truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

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 hệ

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

2.1.2.1 TDM (Time Division Multiplexing)

TDM là phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian Đây là phươngpháp giúp tăng số lượng tín hiệu được gửi trên đường truyền vật lý TDM làmtăng dung lượng đường truyền dẫn bằng cách chia thời gian thành những khenhỏ hơn, do đó các bit từ nhiều nguồn khác nhau có thể được mang đi trênmột tuyến, làm tăng hiệu quả số các bit được truyền trên giây

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

Hình 2.1 Hệ thống ghép kênh theo thời gian TDM

Nguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghép kênh theo thời gian thường

là các laser phát xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bước sóng làm việc thường

trong vùng 1550 nm do có suy hao nhỏ nhất và phù hợp với các bộ khuếchđại quang sợi sử dụng trong hệ thống.

Lợi ích của công nghệ TDM là tăng dung lượng truyền dẫn của một kênhcáp quang đơn lên trên 10 Gb/s.Các hệ thống hoạt động ở tốc độ trên đangdần dần thay thế các hệ thống TDM 2,5 Gb/s

Sự tán sắc xuất hiện do sự thay đổii chỉ số khúc xạ của sợi quang theobước sóng Tán sắc có thể bỏ qua ở tốc độ bít thấp nhưng gây khó khăn choviệc tăng tốc độ và khoảng cách truyền dẫn Sự tán sắc ảnh hưởng đến chấtlượng tín hiệu (gây giãn xung) ở tốc độ 10 Gb/s lớn gấp 16 lần so với ở tốc độ2,5 Gb/s Hiện nay, hệ thống sợi quang đơn mode chiết suất bậc 10 Gb/s cógiới hạn khoảng cách truyền dẫn từ 50 Km đến 75 Km mà không cần bù haysửa tín hiệu Các thiết bị định thời đòi hỏi các thành phần điện tử cao cấp đểđiều chế laser, ghép/tách kênh ở các tần số cao

2.1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số quang (OFDM)

Phương pháp ghép kênh theo tần số quang được thực hiện bằng cách chiadải tần của sóng quang thành một số kênh thông tin riêng biệt, các kênhquang tương ứng với các tần số sóng mang khác nhau sẽ được biến đổi thànhcác luồng song song truyền đồng thời trên một sợi quang

Nguyên lý ghép kênh theo tần số được mô tả trong hình 2.3

Hình 2.2 ghép kênh theo tần số quang (OFDM)

Đặc tính của sợi quang là có suy hao nhỏ trong dải bước sóng từ 800 nmđến 1800 nm tương đương với dải tần 200000 Ghz.Tần số của sóng quang rấtcao, có thể trên 200000 Ghz Vì vậy, có thể truyền dẫn trên sợi quang một sốlượng lớn các kênh ghép có tần số khác nhau, mỗi kênh có dải tần rộng.Chẳng hạn, với băng thông 200000 Ghz của sợi quang có vùng tần số nằmtrong dải 12500 Ghz từ bước sóng 1500nm đến 1600 nm có độ suyhao nhỏnhất, có thể ghép tới 1000 kênh quang tốc độ lớn hơn 1 Gb/s với khoảng cáchkênh 10 Ghz Khi đó dung lượng tổng cộng trên sợi quang này sẽ lớn hơn 1Tb/s

Tần số của nguồn phát quang sử dụng trong kỹ thuật ghép kênh theo tần

số quang (OFDM) phải rất ổn định các bộ khuếch đại quang dải rộng phảiđảm bảo khuếch đại đồng đều tất cả các kênh Các thiết bị quang thụ độngdùng để kết hợp các tín hiệu OFDM cũng rất quan trọng, thường phải sử dụngcác bộ lọc quang thật chính xác

2.1.2.2 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 tín hiệu

và sử dụng thiết bị phát quang để gửi nó ra ngoài với một tốc độ bit tươngđương với: (tốc độ bit vào) * n Vì vậy lưu lượng đi đến bộ ghép kênhSONET 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 1.2

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, kháiniệm về độ ưu tiên và tắc nghẽn không tồn tại trong SONET Thứ hai, việcghép kênh phân cấp khá cứng nhắc ở SONET Ví dụ như nấc tiếp theo củaSTS-192 (10 Gbps) là STS 768 (40 Gbps) Vì hệ phân cấp số được tối ưu cholưu lượng tiếng nói, nên sẽ không hiệu quả khi mang dữ liệu trong các khungSONET

2.2 Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM

2.2.1 Định nghĩa

WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bước sóng)

là công nghệ “ trong một sợi quang truyền dẫn nhiều tín hiệu quang với nhiềubước sóng khác nhau” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khácnhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu,tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồiđưa vào các đầu cuối khác nhau

2.2.2 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 tiêucủa 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 một

theo 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:

2.2.2.1 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 1.3), ở đầuphát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ 1, λ2 , , λn thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều

trên một sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khácnhau, 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 hai chiều trên hai sợi quang

2.2.2.2 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 λ1, λ2, , 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 λn+1, λn+2, , λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xemhình 1.4) Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều(song công)

Hình 2.5 Truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang

Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tươngđối rộng rãi Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển vàứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Ở phía phát,các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của

bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng củacác bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quangthật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chínhxác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dảilàm việc ổn định

Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây rasuy hao truyền dẫn Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cầnphải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tửghép, 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 bước sóngnhư bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậyhiểu đơn giản, từ “bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được

sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợpcần 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 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp

Hình 2.6 Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX – DEMUX)

2.3 Ưu và nhược điểm của công nghệ WDM

Trãi qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũngnhư mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những ưu điểm nổitrội:

* Dung lượng truyền dẫn lớn:

Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghéprất nhiều kênh quang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi , mỗi kênh quanglại ứng với một tốc độ bit nào đó (TDM) Hiện nay đã thử nghiệm thành công

hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ

thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM -256 (dung lượng 40 Gbit/s).

* Tính trong suốt của mạng WDM

Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên có thể hỗ trợcác định dạng số liệu và thư thoại chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet,ESCON, IP…

* Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàngTbps, có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau Bên cạnh

đó nó cũng mở ra một thị trường mới, đó là thuê kênh quang (hay bước sóngquang) ngoài việc sợi hay cáp quang việc nân cấp hệ thống đơn giản chỉ làcắm thêm các card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug and Play)

* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo

Bằng cách thay đổi phương thức đinh tuyến và phân bổ bước sóngtrong mạng WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống mộtcách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế Hiện nay WDM là công nghệ duynhất cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (OpticalTransport Network) cho phép xây dựng mạng quang trong suốt

* Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạngquang trước đó, giảm được chi phí đầu tư mới Do vậy tiết kiệm và kinh tếhơn

2.4 AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM

Nhìn lại suốt quá trình phát triển của WDM, ta thấy những tiến bộ vượtbậc về mặt công nghệ trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị WDM Mới đầuchỉ là các thiết bị tách /ghép kênh sử dụng lăng kính hoặc cách tử đơn giảnvới số kênh cho phép là bốn Đến nay, các sản phẩm thương mại của một sốhãng chào mời với số kênh bước sóng là 80, trong phòng thí nghiệm người ta

đã tiến hành ghép 170 bước sóng cho một tuyến WDM dung lượng 1 Tbit/squa một sợi đơn mode chuẩn (SSMF) Khoảng cách kênh bước sóng, cũng vìthế đã giảm đi từ con số lúc đầu là 400 GHz nay chỉ còn 50 GHz

Hình 2.7 Các bước chế tạo AWG

Một trong những ý tưởng để đạt được chi phí thấp nhất cho một chứcnăng quang là công nghệ vi mạch quang PLC (Planar Lighwave Circuit),giống như ý tưởng về IC, thực hiện tích hợp hàng loạt chức năng quang trênmột đế, tạo ra một vi mạch quang Vi mạch quang bao gồm nhiều mạch quang(optical circuits) trên một đế Silic, được sản xuất nhờ các công nghệ cực kỳtiên tiến trong lĩnh vực công nghiệp quang bán dẫn Nhờ vậy rất nhiều cácthành phần quang có thể được chế tạo và tích hợp với nhau thành một chip cónhững chức năng quang hoàn chỉnh

Hình 2.34 chỉ ra quá trình chế tạo được sử dụng trong công nghiệp PLC.Đầu tiên một lớp phủ có chiết suất ncl (cladding) được lắng đọng trên đế (kỹthuật được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn); sau đó lắng đọng tiếp mộtlớp được gọi là lớp lõi (core) có chiết suất nco , thường nco nhở hơn 1% của ncl.Sau đó lớp lõi này được in mẫu theo kỹ thuật in quang lito; mẫu dẫn sóng(waveguide) được chế tạo trên lớp lõi đó bằng nhiều kỹ thuật khác nhau, ví dụtrên hình 2.35 “vệt” waveguide được tạo ra bằng kỹ thuật quang khắc; có thểtạo ra nhiều waveguide như vậy bằng việc phân bố hình học và tạo lớp hoặc

sử dụng các kỹ thuật khắc khác nhau Sau cùng, một lớp cladding khác sẽđược phủ lên lớp có khắc các mẫu waveguide , lớp phủ trên cùng này cũng có

người ta căn cứ vào chỉ số hiệu dụng β (là hằng số truyền lan) của phần tử dẫnbước sóng waveguide Waveguide còn tồn tại một số những nhược điểm như:

bề mặt quang khắc không phẳng; do sự dao động của nhiều chỉ số như chiếtsuất, độ sâu quang khắc

Hình 2.8 Cấu tạo của một wave guide trên nền đế Silic

Từ một cấu trúc dẫn sóng waveguide như đề cập ở trên, có thể chế tạođược rất nhiều các vi mạch quang phức tạp với các chức năng khác nhau Cácchức năng đó có thể là: phần tử tách/ghép bước sóng; các coupler quang; phần

tử chuyển mạch; các bộ suy giảm điều chỉnh được; các phần tử khuếch đại,hay bất cứ một phần tử cần thiết nào của một module như OADM hoặc các bộ

bù tán sắc động (Dynamic Dispersion Compensator)

Hình 2.9 Các phần tử cơ bản của AWG

Hình 2.10 Cấu tạo và hoạt động của một AWG

Tín hiệu quang được dẫn bởi các phần tử dẫn sóng “waveguide” (1) tớivùng thấu kính “lens region” (2), các thấu kính trong vùng 2 này thực hiệnchia công suất quang và đưa vào vùng ma trận cách tử “grating array” (3).Mỗi waveguide trong miền grating array có sai lệnh về độ dài một khoảngchính xác ∆L so với các waveguide lân cận Do đó, tín hiệu quang trong mỗiwaveguide sẽ cực đại tại mỗi thời điểm trễ pha khác nhau tại đầu ra (4) Gọi

∆Φ là độ trễ pha của tín hiệu, ta có:

2.5 Những vấn đề kỹ thuật cần quan tâm đối với hệ thống thông tin quang WDM

Bất cứ một công nghệ nào cũng tồn tại những giới hạn và những vấn đề

kỹ thuật Khi triển khai công nghệ WDM vào mạng thông tin quang, cần phảilưu ý một số vấn đề sau:

Chương này sẽ lần lượt đề cập đến từng vấn đề, đòng thời đưa ra cácphương án giải quyết cho từng trường hợp