Biện pháp bù tán sắc trong hệ thống WDM bằng cách sử dụng cách tử Bragg

Biện pháp bù tán sắc trong hệ thống WDM bằng cách sử dụng cách tử Bragg

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô trong Khoa

Điện-Điện tử nói chung, bộ môn Điện tử viễn thông nói riêng đã tận tình chỉ dạychúng em trong suốt những năm học vừa qua Đặc biệt cho em gửi lời cảm ơnchân thành nhất tới cô Th.S Nguyễn Thanh Vân đã giúp đỡ, để em hoàn thành

LỜI CAM ĐOAN

BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Division Multiplex

Ghép kênh mật độ cao phân chia theo bước sóng

NRZ Non Return to Zero Nghịch đảo

Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng cho việc bù tán sắc cách tử Bragg sợi

quang cho PIN receiver

53

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng cho việc bù tán sắc cách tử Bragg sợi

quang cho APD receiver

54

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.2 Hệ thống WDM đơn hướng 7

1.7

Bộ tách/ghép kênh bước sóng quang

(a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng (MUX)

(b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX)

(c) Các thông số đặc trưng của bộ MUX/DEMUX

15

2.4 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo

2.5 Cách thức các luồng sáng tương ứng với các mode

truyền trong sợi quang và gây tán sắc 28

V[d2(Vb)/dV2] thay đổi theo tham số V2.10 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho

3.4 Cấu trúc cách tử Bragg quang chu kỳ thay đổi 44

3.5 Phổ phản xạ của cách tử Bragg dạng cách tử đều, độ

dài cách tử 1cm, λB=1550 nm, Λ=0 8 nmB=1550 nm, Λ=0 8 nm 463.6 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng

trong quang sợi đơn mode thông thường 493.7 Hậu quả của tán sắc đối với tốc độ truyền của

3.8 Nguyên lý bù tán sắc của quang sợi cách tử Bagg

3.9 Mô hình cơ bản của thiết bị bù tán sắc dùng cách tử

3.10 Mô phỏng việc bù tán sắc bằng cách tử Bragg sợi

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 6

LỜI MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 12

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 12

1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG WDM 12

1.2.1 Định nghĩa 12

1.2.2 Sơ đồ khối tổng quát 13

1.2.3 Mục đích 15

1.2.4 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM 15

1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM 17

1.3.1 Nguồn phát quang 17

1.3.2 Bộ thu quang 19

1.3.3 Sợi quang 20

1.3.4 Bộ tách / ghép bước sóng (OMUX / ODEMUX) 23

1.3.5 Bộ xen/ rẽ bước sóng (OADM): 24

1.3.6 Bộ nối chéo quang (OXC) 26

1.3.7 Bộ khuếch đại quang 28

1.3.8 Bộ chuyển đổi bước sóng 29

CHƯƠNG 2 : TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐỐI VỚI HỆ THỐNG WDM 30

2.1 TÁN SẮC 30

2.1.1 Khái niệm 30

2.1.2 Nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc 31

2.1.3 Phân loại tán sắc 33

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC 45

CHƯƠNG 3: CÁCH TỬ BRAGG VÀ BIỆN PHÁP BÙ TÁN SẮC BẰNG CÁCH TỬ BRAGG TRONG HỆ THỐNG WDM 47

3.1 Cấu tạo về cách tử Bragg trong sợi quang FBG 47

3.2 Nguyên lý hoạt động 48

3.3 Cấu trúc và tính chất của các dạng cách tử 50

3.3.1 Cách tử Bragg đều (Uniform Fiber Bragg Grating) 50

3.3.2 Cách tử Bragg quang chu kỳ thay đổi 53

3.3.3 Cách tử Bragg điều biến chiết suất 55

3.4 Các biện pháp bù tán sắc bằng cách tử Bragg trong hệ thống WDM57 3.4.1 Giới thiệu 57

3.4.2 Hiện tượng tán sắc trong sợi quang 57 3.4.3 Bù tán sắc bằng quang sợi cách tử Bragg chu kỳ biến đổi tuyến tính59 3.4.4.Thí nghiệm và kết quả 61

Với băng thông lớn, chất lượng tín hiệu được đảm bảo hệ thống truyền dẫnsợi quang đã đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng dịch vụ viễn thông.Với

sự phát triển này, ngày nay các hệ thống truyền dẫn quang băng rộng trở thànhmạng đường trục tốc độ cao với nhiều công nghệ WDM, EDFA phục vụ

mạng Công nghệ chế tạo các thiết bị ngày càng phát triển,các thiết bị này ngàycàng được cải tiến khắc phục nhiều nhược điểm của mạng cáp quang như suyhao, tán sắc, khuếch đại công suất truyền,

Một trong những công nghệ tiêu biểu của hệ thống truyền dẫn quang là cách

tử Bragg quang.Từ khi ra đời đến nay cách tử Bragg sợi quang đã có nhiều pháttriển khắc phục được nhiều nhược điểm cố hữu trong đó nhất là hiện tượng bùtán sắc và trở thành tiêu chuẩn để chế tạo sợi quang Với rất nhiều ứng dụng bêncạnh ứng dụng trong mạng truyền dẫn quang như ứng dụng trong lazer ,cảmbiến quang

Xuất phát từ đó em lựa chọn đề tài đồ án của mình là “ Biện pháp bù tán sắctrong hệ thống WDM bằng cách sử dụng cách tử Bragg”

Trong đồ án tốt nghiệp này em chia thành 3 chương và nội dung của bachương là :

CHƯƠNG 1 : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

CHƯƠNG 2 : TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐỐI VỚI HỆTHỐNG WDM

CHƯƠNG 3 : CÁCH TỬ BRAGG VÀ CÁC BIỆN PHÁP BÙ TÁN SẮCBẰNG CÁCH TỬ BRAGG TRONG HỆ THỐNG WDM

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Hệ thống thông tin quang là hệ thống truyền thông tin thông qua sợiquang.Thông tin cần truyền đi được chuyển thành ánh sáng, truyền qua sợiquang, sau đó, nó được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu tại nơi nhận Hiện nay, lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin tăng lênrất nhanh Sự phát triển nhảy vọt của mạng máy tính toàn cầu Internet, kéo theo

đó là sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Số người

sử dụng Internet càng ngày càng đông, chính vì thế nhu cầu truyền tải dữ liệucũng càng ngày càng tăng lên Vì vậy, yêu cầu được đặt ra là phải tạo ra đượcmột mạng lưới có băng thông lớn với chi phí hợp lý, có tốc độ đường truyền cao

và đáng tin cậy

Trong khi đó, mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng được các yêu cầutrên Những ưu điểm nổi bật của mạng thông tin quang như là tốc độ truyền tảinhanh, dung lượng truyền dẫn lớn, hoạt động ổn định và có chi phí hợp lý, đãdần dần thay thế cho các mạng lưới thông tin truyền thống Tuy nhiên, có mộtvấn đề là băng thông quang rất lớn (khoảng 100 Ghz-Km) nên sẽ rất tốn kémnếu chỉ dùng cho một ứng dụng đơn lẻ Vì thế yêu cầu đặt ra là phải ghép nhiềukênh trên cùng một đường truyền quang Những kĩ thuật ghép kênh được quantâm nhất trong thời kì hiện nay là : “Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian(Time Division Multiplexing – TDM)” và “ Kĩ thuật ghép kênh phân chia theobước sóng (Wavelength Division Multiplexing – WDM)” Trong tương lai, kĩthuật ghép kênh phân chia theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn vì chi phí kĩthuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM vẫn còn khá cao

1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG WDM

1.2.1 Định nghĩa

“WDM (Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theobước sóng) là công nghệ trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tínhiệu quang với nhiều bước sóng khác nhau Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang cóbước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền tín hiệu đi trên cùng

một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôiphục lại các tín hiệu gốc rồi sau đó đưa vào các đầu cuối khác nhau.” (Đỗ VănViệt Em, Hệ thống thông tin quang 2, 2007, 3)

1.2.2 Sơ đồ khối tổng quát

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Như sơ đồ trên, để đảm nhiệm việc truyền và nhận nhiều bước sóng trên

sợi quang thì hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau :

- Phát tín hiệu : Nguồn phát quang mà hệ thống WDM sử dụng là diode

phát quang (LED – Light Emitting Diode) hay Laser Hiện nay đã có một

số loại nguồn phát như : laser đa bước sóng (Multiwavelenghth laser),laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser) Nguồn phát laser đạt yêu cầu

là phải có bước sóng phát ổn định, độ rộng phổ hẹp, mức công suất phátđỉnh, độ rộng phổ, bước sóng trung tâm, độ rộng chirp phải nằm trongmức giới hạn cho phép

- Ghép/tách tín hiệu : Ghép tín hiệu WDM là sự tạo thành một luồng tín

hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền trong sợi quang từ sự kết hợp của mộtvài nguồn sóng khác nhau Còn tách tín hiệu WDM là phân chia luồngánh sáng được tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại từngđầu cổng ra của bộ tách Hiện nay có các bộ ghép tách tín hiệu WDM ví

dụ như : cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, bộ lọc màng mỏng điện môi,

MUX MUX

DE-Rx1 Tx1

Truyền tín hiệu

Tx2

bộ lọc Fabry-Perot, linh kiện quang tổ hợp AWG Các tham số cần quantâm của bộ tách ghép kênh là : độ rộng băng tần của mỗi kênh, khoảngcách giữa các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, tính đồngđều của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, suy hao phản xạ Bragg, suyhao xen, xuyên âm đầu gần - đầu xa,

- Truyền dẫn tín hiệu : Thực tế thì việc tính toán truyền dẫn trong thông tin

quang rất là phức tạp bởi có nhiều yếu tố ảnh hưởng ví dụ như : các hiệuứng phi tuyến, suy hao đường truyền, tán sắc Không những thế, các yếu

tố này cũng khác nhau ở tùy từng loại sợi quang khác nhau

- Khuếch đại tín hiệu : Trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu quang sẽ bị suy

hao khi lan truyền qua sợi Các thiết bị trong hệ thống như bộ ghép kênh,xen rẽ kênh cũng gây nên suy hao Ngoài ra còn vì các nguyên nhân khácnhư suy hao ghép nối, suy hao do sợi bị uốn cong Do vậy mà đến một lúcnào đó, tín hiệu quang sẽ suy yếu đến mức không thể tách sóng được Vìthế các thiết bị khuếch đại tín hiệu sẽ khôi phục lại cường độ tín hiệu.Hiện nay, chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thốngWDM EDFA có ứng dụng chính là : khuếch đại đường truyền (LA –Line Amplifier) , khuếch đại công suất (BA – Booster Amplifier) và tiềnkhuếch đại (PA – Pre Amplifier)

“Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM cần phải đảm bảođược một số yêu cầu sau:

Mức công suất đầu ra của các kênh không được bị ảnh hưởng bởi

sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc

Độ lệch khuếch đại đồng đều với tất cả các kênh bước sóng (mứcchênh lệch không quá 1 dB)

Để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại cần phải có khả năng pháthiện ra được chênh lệch mức công suất đầu vào, nhằm mục đích cho tất cảcác kênh đều được đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằng phẳng.”

- Thu tín hiệu : Hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ tách sóng quang

giống như trong hệ thống thông tin quang thông thường để thu tín hiệu, ví

dụ như : PIN, APD

1.2.3 Mục đích

Do băng thông quang rất lớn (khoảng 100 Ghz-Km) nên sẽ rất lãng phínếu chỉ sử dụng cho một mục đích đơn lẻ Vì vậy, sử dụng công nghệ WDMnhằm mục đích tận dụng hết mức băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cáchtruyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Tuy nhiên,giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định để tránh việc nhiễu xuyên kênh.Qua nghiên cứu ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cáchgiữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz

1.2.4 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM

Hệ thống truyền dẫn là những hệ thống có tính năng tương tác, có nghĩa làtại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hướng đi) và đầu còn lại sẽnhận tín hiệu về (hướng về) Trong hệ thống WDM, sợi quang là môi trường mà

ở đó tính năng tương tác được thực hiện Hệ thống WDM về cơ bản được chiathành hai kiểu là : “Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng” và “Hệ thống ghépbước sóng song hướng”

a Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng

Hệ thống này chỉ thực hiện truyền theo một chiều trên sợi quang Vì thế,nếu ta muốn truyền đi thông tin giữa hai điểm thì ta cần hai sợi quang

MUX

Tx1

Tx2

MUX

DE-Rx1

Rx2

λB=1550 nm, Λ=0 8 nm 1 , λB=1550 nm, Λ=0 8 nm 2 , λB=1550 nm, Λ=0 8 nm 3 , ,λB=1550 nm, Λ=0 8 nm n

Hình 1.2: Hệ thống WDM đơn hướng

b Hệ thống ghép bước sóng song hướng

Có thể truyền thông tin đi hai chiều trên một sợi quang nên ta chỉ cần duynhất một sợi quang là đã có thể trao đổi thông tin giữa hai điểm

Hình 1.3: Hệ thống WDM song hướng

Cả hai hệ thống này đều có ưu điểm và nhược điểm riêng: Ta giả sử côngnghệ hiện tại chỉ cho phép trên một sợi quang truyền N bước sóng , so sánh hai

hệ thống này với nhau ta thấy được:

- “Về mặt dung lượng : Hệ thống WDM đơn hướng cung cấp được dunglượng cao gấp hai lần so với hệ thống WDM song hướng Tuy vậy, sốlượng sợi quang cần dùng lại gấp hai lần so với hệ thống WDM songhướng.”

- “Khi có sự cố đứt cáp, gần như tức thời cả hai đầu của liên kết đều cókhả năng nhận biết sự cố, vậy nên hệ thống WDM song hướng khôngcần đến cơ chế chuyển mạch tự động APS (Automatic ProtectionSwithching).”

- “Xét về thiết kế mạng : Hệ thống WDM song hướng khó thiết kế hơn vì

để thiết kế hệ thống cần phải xem xét thêm các yếu tố như : vấn đềxuyên nhiễu do trên một sợi quang có nhiều bước sóng hơn, cần phảiđảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng để cho cả hai chiều trên sợiquang không dùng chung một bước sóng.”

- “Trong hệ thống đơn hướng, các bộ khuếch đại thường có cấu trúc đơngiản hơn hơn trong hệ thống song hướng Tuy nhiên, ở hệ thống songhướng, các bộ khuếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với

hệ thống đơn hướng do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống songhướng giảm đi ½ theo mỗi chiều.”

1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM

Tương ứng với các chức năng đã nêu ở phần 1.2.2, hệ thống thông tin

quang WDM có các thành phần tương ứng như sau :

1.3.1 Nguồn phát quang

Nhiệm vụ của nguồn phát quang là chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu

quang Ánh sáng của nguồn này được ghép vào sợi quang để truyền đi Hiện nay

2 loại linh kiện được sử dụng phổ biến để làm nguồn phát quang là:

- Diode phát quang ( LED – Light Emitting Diode)

- LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation)

Một trong những đóng góp quan trọng của các thiết bị phát quang giúpcho việc thương mại hóa các hệ thống WDM là việc chế tạo thành công cácLASER phổ hẹp Các LASER phổ hẹp có tác dụng giảm thiểu tối đa ảnh hưởnglẫn nhau của các bước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang

Để xây dựng được các hệ thống thông tin quang, các nguồn phát quangphải thỏa mãn một số điều kiện như :

- Phù hợp với kích thước sợi quang

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

- Phát ra công suất đủ lớn để có thể khắc phục một phần suy hao tín hiệu,giúp tín hiệu được truyền đến phía thu.

- Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường có thay đổi ( nhiệt độ, độẩm, )

- Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang đầu ra

- Có giá thành thấp và độ tin cậy cao hơn các thiết bị điện tử, cho phép các

hệ thống thông tin quang có thể cạnh tranh được với các hệ thống thôngtin khác

a) LASER

Hình 1.4: Cấu trúc tổng quát của LASER

LASER được phát minh vào năn 1958 bởi Schalow và Townes Hình 1.4thể hiện cấu trúc tổng quát của một LASER Về cơ bản thì cấu trúc của mộtLASER gồm 2 tấm gương ( 1 tấm phản xạ, 1 tấm vừa phản xạ vừa cho một phầnánh sáng đi qua – gương phát) Chúng tạo nên một lỗ hốc Các gương này có độphản xạ rất cao, tới 99% để làm giảm độ rộng phổ Ở giữa 2 tấm gương là mộtmôi trường phát xạ và một thiết bị kích thích Thiết bị kích thích này đưa dòngđiện vào môi trường phát xạ, được làm bằng một loại vật chất gần như ổn định.Dòng điện này sẽ tạo ra một điện trường, điện trường này kích thích các nguyên

tử có sẵn trong môi trường và làm cho các nguyên tử này chuyển lên các trạngthái dừng có mức năng lượng cao hơn Khi các nguyên tử chuyển về các trạngthái dừng có mức năng lượng thấp, chúng sẽ phát ra các photon ánh sáng.Photon ánh sáng sẽ bị phản xạ lại bởi 2 tấm gương ở 2 đầu hốc

Thiết bị kích

Môi trường phát xạ Dòng ánh sáng phát ra

Gương phát Gương phản xạ

Hiện tượng phát xạ kích thích sẽ lại xảy ra nếu một photon lại gần mộtnguyên tử Do đó, quá trình cứ lặp lại như vậy sẽ tạo ra nhiều photon ánh sáng

có cùng pha và hướng với photon đang kích thích Sự phản chiếu làm cho cácphát xạ kích thích xảy ra nhiều hơn, vì thế mà có thể tạo ra cường độ ánh sángcao Tấm gương phát sẽ truyền dẫn một phần ánh sáng nhất định, vì thế một sốphoton sẽ thoát ra khỏi lỗ hốc dưới dạng một tia sáng hội tụ Hốc Laser có thể cónhiều tần số cộng hưởng Để thay đổi tần số của ánh sáng phát ra, ta có thể điềuchỉnh độ dài của hốc

b) LED

Với những ứng dụng không cần yêu cầu cao về tốc độ dữ liệu và cự lytruyền dẫn ngắn thì việc sử dụng diode phát quang (LED) là hợp lý về mặt kinhtế

LED được phát triển dựa trên cơ sở của diode bán dẫn, về cơ bản thì nó làmột tiếp giáp của bán dẫn loại P và bán dẫn loại N Tuy nhiên, do ánh sáng củaLED phát ra trong toàn băng thông nên ánh sáng phát ra từ LED có phổ rộng(không giống với LASER có chùm sáng hội tụ)

Đối với LED, việc tăng cường độ ánh sáng đơn giản là tăng sự tự phát xạ,

do đó không xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích vì tính kém phản xạ của bềmặt Vì lý do này mà LED không có khả năng tạo công suất đầu ra cao Côngsuất ra tiêu biểu của LED khoảng -20 dB

1.3.2 Bộ thu quang

Thiết bị thu quang là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ

thống Nằm ở vị trí cuối cùng của hệ thống, bộ thu quang phải tiếp nhận và xử lýmọi tác động trên toàn tuyến đưa tới, do đó mà sự chính xác của hệ thống phụthuộc rất nhiều vào nó Một số yêu cầu đặt ra với bộ thu quang là phải có độnhạy cao, giá thành hợp lý, can nhiễu thấp và độ tin cậy cao Hình 1.5 giới thiệucấu hình tiêu biểu của bộ thu quang sử dụng photo diode Nó bao gồm các thànhphần : bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại điện và mạch xử lý tín hiệu

Phần trước bộ thu quang gồm 1 photo diode và bộ tiền khuếch đại Photodiode biến đổi tín hiệu bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đổi theo thời gian.

Bộ tiền khuếch đại có vai trò khuếch đại tín hiệu cho quá trình xử lý tiếp theosau đó Tăng giá trị của RL, điện áp đầu vào mạch tiền khuếch đại có thể tăng,nhiễu nhiệu giảm xuống và do đó tăng được độ nhạy thu

Hình 1.5: Cấu hình của bộ thu quang số tiêu biểu

Kênh tuyến tính trong bộ thu quang gồm có bộ khuếch đại chính có hệ số

khuếch đại cao và mạch cân bằng

Phần khôi phục tín hiệu số của bộ thu quang bao gồm mạch hồi phục

xung đồng hồ và mạch quyết định Mạch quyết định sẽ so sánh tín hiệu ra từkênh tuyến tính với một mức ngưỡng tại thời điểm lấy mẫu ( được xác định bởimạch hồi phục xung đồng hồ), nếu điện áp của tín hiệu lớn hơn mức ngưỡng, nó

sẽ mang bit “1”, nếu thấp hơn thì sẽ là bit “0”

Một số bộ thu quang hay được sử dụng :

- Bộ tách sóng Photo diode PIN

- Photo diode thác APD

Hình 1.6:Cấu trúc sợi quang

“Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bảngồm có 2 lớp :

- Lớp lõi trong cùng có dạng hình trụ tròn, làm bằng thủy tinh có chiết suấtn1, được gọi là lõi (core sợi)

- Lớp thứ hai có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc(Cladding), làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 <n1.”

Vỏ bọc ở phía ngoài có tác dụng để bảo vệ sợi quang khỏi những tác nhânmôi trường như bị ẩm và ăn mòn, và cũng có tác dụng chống xuyên âm với cácsợi đi bên cạnh

b) Các đặc tính của sợi quang

Sợi quang là một môi trường truyền dẫn đặc biệt so với các môi trườngkhác như là không gian tự do hay cáp đồng Không phải ngẫu nhiên mà sợiquang trở thành phương tiện truyền dẫn thông tin kinh tế và hiệu quả nhất hiệnnay So với các phương thức truyền dẫn thông tin khác thì sợi quang có những

ưu điểm nổi bật, ví dụ như có băng thông lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp Thêmvào đó, sợi quang còn có thể được sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫnnhẹ, không chịu tác động của sóng điện từ và không có hiện tượng xuyên âmgiữa các sợi quang với nhau

Lớp bọc đầu tiên (Silicon đặc biệt) Tầng cản bit lỗi (Silicon)

Lớp bọc thứ 2 (Nilon)

Lớp bọc thứ 2 (Nilon) Tầng cản bit lỗi Lớp bọc đầu tiên Phần cốt lõi

Sợi quang

“Trước tiên, bởi vì sợi quang có băng thông lớn nên có thể truyền đi mộtkhối lượng thông tin lớn ví dụ như : các tín hiệu dữ liệu, âm thanh, và các tínhiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự ly lên đến 100 Ghz-Km.

Thứ hai, bởi vì sợi quang nhỏ, nhẹ và không có xuyên âm Do vậy màkhông cần lắp thêm các đường ống và cống cáp, chúng vẫn có thể được lắp đặtmột cách dễ dàng ở các địa điểm

Thứ ba, do sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi nên chúng khôngphải chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và các xung điện tử Do đó,chúng có thể được lắp đặt cùng với cáp điện lực ( điều này có ý nghĩa kinh tế rấtlớn) và dùng trong các môi trường có điện từ trường cao

Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát (silicat-SiO2 )

và chất dẻo nên có giá thành thấp

Không những thế, sợi quang còn có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài

và khả năng đề kháng với môi trường tốt.”

c)Phân loại sợi quang

Có nhiều cách phân loại như sau :

Phân loại theo chiết suất :

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)

- Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)

Phân loại theo mode :

- Sợi đơn mode (Single-Mode)

- Sợi đa mode (Multi-Mode)

Phân loại theo cấu trúc vật liệu :

- Sợi thủy tinh

- Sợi thủy tinh nhiều thành phần

- Sợi lõi thủy tinh vỏ chất dẻo

- Sợi chất dẻo

1.3.4 Bộ tách / ghép bước sóng (OMUX / ODEMUX)

Định nghĩa : “Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với bộ kết nối chéoquang, là thiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kếthợp với bộ kết nối chéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang,

có khả năng truyền tải đồng thời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ, mà côngnghệ hiện nay đang hướng tới.Bộ tách/ ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ởcác bước sóng khác nhau.” (Ths.Đỗ Văn Việt Em, Thông tin quang 2, 2007,42)

Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông sốsau:

- Suy hao xen

- Số lượng kênh xử lý

- Băng thông

- Bước sóng trung tâm

- Giá trị lớn nhất của suy hao xen

- Độ suy hao chen giữa các kênh

Hình 1.7 Bộ tách/ghép kênh bước sóng quang (a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng (MUX) (b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX) (c) Các

thông số đặc trưng của bộ MUX/DEMUX.

Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao :

- Ghép tầng nối tiếp đơn kênh

OADM được cấu hình với mục đích để xen/rớt một số kênh bước sóng,còn lại các kênh bước sóng khác được cấu hình cho đi xuyên qua

Các cấu trúc cho OADM :

- Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh,

một số kênh được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyênqua 1 cách thích hợp

Hình 1.8: Cấu trúc song song

kế theo từng modun cho cấu trúc song song

Hình 1.9: Cấu trúc song song theo băng

kênh đi vào OADM

Hình 1.10: Cấu trúc nối tiếp

sinh kênh bước sóng thực hiện xen/rớt Các kênh được thiết lập thựchiện xen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong 1 băng sóng, được lọc bởi

bộ lọc có băng thông là bước sóng Tiếp theo, chúng được đưa lên mứcghép kênh cao hơn và sau đó giải ghép kênh thành các kênh bước sóngriêng lẻ

Hình 1.11 Cấu trúc xen rớt theo băng sóng

1.3.6 Bộ nối chéo quang (OXC)

Cùng với nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng về tốc độ, dunglượng mạng thông tin, mạng quang cần phải được quang hóa toàn diện Mấuchốt của vấn đề là chuyển mạch hoàn toàn quang phải được hoàn thiện Mộttrong những ứng dụng của chuyển mạch hoàn toàn quang là module thiết bị kếtnối chéo quang (OXC) Trong các mạng quang hiện nay, hầu hết việc đấu nốichéo vẫn được thực hiện tại lớp tín hiệu điện nhờ các bộ đấu chéo số DXC(Digital Cross Connect), sự phát triển các mạng thông tin quang WDM diệnrộng đòi hỏi việc định tuyến bước sóng động để có thể tái lập lại cấu hình mạngtrong khi vẫn duy trì được bản chất trong suốt của nó Chức năng này được tạo

ra nhờ bộ kết nối chéo quang OXC OXC là một kết cấu chuyển mạch động vớinhiệm vụ kết nối bất cứ một sợi quang của M sợi đầu vào với bất cứ một sợiquang nào của N sợi đầu ra trong hệ thống WDM OXC sẽ đóng vai trò vừa là

một thiết bị định tuyến bước sóng quang, vừa là thiết bị chuyển mạch bảo vệmạch quang, kết nối các RING,

Cấu trúc :“Bộ OXC bao gồm N cổng đầu vào, mỗi một cổng thu một tínhiệu WDM gồm có M bước sóng (λB=1550 nm, Λ=0 8 nm1, , λB=1550 nm, Λ=0 8 nmM).“Các bộ giải ghép kênh tách tín hiệuthành các bước sóng riêng rẽ và phân phối từng bước sóng cho M chuyển mạch,mỗi chuyển mạch sẽ thu N tín hiệu đầu vào tại cùng một bước sóng Các chuyểnmạch đưa đầu ra của chúng tới N bộ ghép kênh, sau đó các bộ này phối hợp Mđầu vào để tạo thành tín hiệu WDM.”Một bộ OXC như thế cần N bộ ghép kênh,

N bộ giải ghép kênh và M(N+1)(N+1) bộ chuyển mạch quang (những chuyểnmạch này là các chuyển mạch phân chia theo không gian vì chúng hoạt độngdựa trên cơ sở nội bộ vùng không gian các đầu vào của chúng)

M U X

.

.

- Giám sát chất lượng truyền dẫn

- Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit

- Chuyển đổi bước sóng

- Ghép và nhóm tín hiệu

1.3.7 Bộ khuếch đại quang

Thực tế thì hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao thường được sử dụng

bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dâypha tạp Eribum (EDFA) Các bộ khuếch đại này có các ưu điểm như là khôngcần quá trình chuyển đổi D/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệuquang

Lợi ích :

- Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao

- Tăng độ nhạy của bộ thu

- Nâng cao mức công suất phát

- Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, đồng thời khuếch đại tín hiệu đakênh WDM

- Nâng cấp đơn giản

Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng :

- Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổicao

- Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không thay đổi

- Không nhạy cảm với phân cực

- Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM

- Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm khuếch đại xảy ra trong sợiquang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA.

1.3.8 Bộ chuyển đổi bước sóng

Thiết bị này là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vàothành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra Đối với hệ thống WDM, bộ chuyểnđổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích ví dụ như là:

- Khi truyền trong WDM, tín hiệu với bước sóng không thích hợp vẫn cóthể đi vào mạng

- Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp

sử dụng tài nguyên bước sóng linh động hơn, hiệu quả hơn

Để chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng có 4 phương pháp sau:

- Phương pháp cửa quang

- Phương pháp giao thoa

- Phương pháp trộn bước sóng

- Phương pháp quang điện

CHƯƠNG 2 : TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC ĐỐI VỚI HỆ

THỐNG WDM

Trong chương này, vấn đề cần tập trung tìm hiểu là khái niệm tán sắc,nguyên nhân gây ra tán sắc và các ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống WDM.Ngoài ra còn tìm hiểu các loại tán sắc trên sợi dẫn quang, đưa ra công thức tínhtham số tán sắc và sự dãn xung ở cuối sợi quang của các loại tán sắc như: tán sắcvật liệu, tán sắc dẫn sóng, tán sắc bậc cao và tán sắc mode phân cực

2.1 TÁN SẮC

2.1.1 Khái niệm

Tán sắc là hiện tượng tín hiệu quang khi truyền qua sợi quang bị giãn ra.Nếu xung giãn ra lớn hơn chu kỳ bit thì sẽ dẫn tới sự chồng lấp giữa các bit kếcận nhau Dẫn đến kết quả là đầu thu không nhận diện được bit “1” hay bit “0”

đã được truyền đi ở đầu phát, làm cho bộ quyết định trong đầu thu quyết địnhsai, và khi đóthì tỉ số BER tăng lên, tỷ số S/N giảm và chất lượng hệ thống cũnggiảm Hình dưới đây minh họa cho sự mở rộng xung do tán sắc

Hình 2.1: Minh họa sự mở rộng xung do tán sắc

Gọi D là độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, đơn vị là giây (s) Khi đó Dđược xác định bởi :

2 2

0 T i

T

D  ( 2.1 )

Trong đó, T0, Ti lần lượt là độ rộng tại điểm một nửa công suất cực đại

của xung ngõ ra và ngõ vào của sợi quang (đơn vị là s) Độ tán sắc qua mỗi kmsợi quang được tính bằng ns/km hoặc ps/km Còn đối với loại tán sắc phụ thuộcvào bề rộng phổ của nguồn quang thì đơn vị được tính lúc đó là ps/km.nm

Hình 2.2: Tán sắc gây ra tăng BER

2.1.2 Nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc

Ta thấy xuất hiện hiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu khitruyền dẫn các tín hiệu digital thông qua sợi quang, thậm chí trong một sốtrường hợp các xung lân cận còn đè lên nhau làm cho ta không phận biệt đượccác xung với nhau nữa, gây nên việc méo tín hiệu khi tái sinh Hiện tượng dãnxung này được gọi là hiện tượng tán sắc

Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang màtồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồngthời

Tán sắc có ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, cụ thể như sau:

- Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộngcác xung ánh sáng

- Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu giảm nhỏ ( tớigiá trị A E trên hình 2.3b) và có hiện tượng dịch pha Độ rộng băngtruyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn

Hình 2.3: Ảnh hưởng của tán sắc lên tín hiệu digital (a) và analog (b).

S chỉ tín hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu a) Dãn xung b) Sụt biên độ

“Tán sắc gây ra hậu quả là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn củasợi bởi vì để thu được các xung một cách chính xác thì ta cần phải chờ khi xungthứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến

Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn thì ở đầu thu sẽ bị giãnrộng đè lên nhau dẫn tới việc tín hiệu cần thu bị thu sai

Xét ví dụ ở hình trên, coi các xung phát và thu có dạng phân bố Gauss gầnđúng, xung 1 là xung phát và xung 2 là xung thu Độ rộng xung ở giá trị biên độbằng một nửa biên độ lớn nhất S , E.”

  E (2.3)

Độ dãn xung  theo (2.2) thể hiện mức độ tán sắc tín hiệu do sợi gây ra,

và nó có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền Bit

Các xung ánh sáng có phân bố Gauss có phân bố biên độ giảm theo quyluật là:

)

36 , 0

exp( 2 2

t P

P



 (2.4)