Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM

Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDMNghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM

LỜI CẢM ƠN

Thời gian trôi qua thật nhanh, chỉ mấy tháng ngắn ngủi nhưng em cũng đãkịp hoàn thành đồ án của mình Đạt được điều này phần lớn là do sự hướng dẫnchi tiết, sự chỉ bảo nhiệt tình và tấm lòng nhiệt huyết của cô giáo Nguyễn ThanhVân -người đã dìu dắt, định hướng đề tài, và dù bận trăm công ngàn việc cô vẫndành thời gian chỉ dẫn cho em Em rất trân trọng và xin gửi lời cảm ơn chânthành nhất tự đáy lòng đến cô

Để có được vốn kiến thức như ngày hôm nay, em cũng xin cám ơn nhữngngười thày của ngành Điện tử viễn thông nói riêng, và các thày cô trong trườngĐại học Hàng Hải Việt Nam nói chung đã dạy dỗ em, truyền tải cho em hiểubiết về các môn đại cương và các môn chuyên ngành để em có được cơ sở lýthuyết vững vàng, xây dựng một nền tảng cho em có thể phát triển về sau này

Em chân thành cảm ơn và không bao giờ quên công ơn của các thày cô

Cuối cùng, em xin cảm ơn những người bạn bè và gia đình, đã luôn sátcánh và giúp đỡ em những lúc khó khăn nhất, để em có thể tiến tới hoàn thiện

đồ án tốt nghiệp như ngày hôm nay./

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Ngọc Hưng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu,kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất kỳ đồ án nào trước đây

Sinh viên Nguyễn Ngọc Hưng

MỤC LỤC Trang

LỜI CẢM ƠN I

LỜI CAM ĐOAN II DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN IV DANH MỤC CÁC HÌNH VI

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 2

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG WDM

2 1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

2 1.3 CÁC THIẾT BỊ WDM

6 1.3.1 Bộ phát quang 6

1.3.2 Bộ tách/ghép kênh quang 7

1.3.3 Bộ khuếch đại quang 9

1.3.4 Bộ thu quang 11

1.3.5 Sợi quang 12

CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN THỰC HIỆN ĐỊNH TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WDM 14

2.1 BỘ ĐỊNH TUYẾN

14 2.2 CÁC BỘ XEN/RẼ

18 2.3 CÁC THIẾT BỊ ĐẤU CHÉO QUANG

22 2.4 CHUYỂN MẠCH QUANG

26 2.4.1 Tầm quan trọng của chuyển mạch quang 26

2.4.2 Nguyên tắc chung của chuyển mạch quang 29

CHƯƠNG III: GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN LÀM LỆCH HƯỚNG ĐI TRONG MẠNG WDM 32

3.1 KHOẢNG THỜI GIAN TRỄ OFFSET

32 3.1.1 Offset cố định 32

3.1.2 Offset khi không có sự dự trữ 33

3.2: CÁC GIAO THỨC THIẾT LẬP KẾT NỐI

33 3.2.1 Tell And Go (TAG) 33

3.2.2 Just In Time (JIT) 34

3.2.3 Just Enough Time (JET) 35

3.3 XUNG ĐỘT TRONG MẠNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

37 3.3.1 Biến đổi bước sóng 37

3.3.2: Bộ đệm quang: 38

3.4: ĐI SÂU PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN LÀM LỆCH HƯỚNG ĐI:

38 3.4.1 Khái quát phương pháp: 38

3.4.2 Thuật toán định tuyến làm lệch hướng đi: 41

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Ký hiệu Tiếng việt

TAG Tell And Go ( tên giao thức)JIT Just In Time ( tên giao thức)

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.2 Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng a) và theo

lệch hướng đi

MỞ ĐẦU

Trong thời đại thông tin công nghệ bùng nổ như hiện nay, lượng dữ liệucần trao đổi giữa các hệ thống ngày càng tăng cao Số lượng cũng như lưu lượngtruyền thông trên mạng cũng đổi thay, trong đó internet là chủ yếu Nhu cầu sửdụng mạng ngày càng cao cũng như thời gian truy cập dài hơn nhiều so với mộtcuộc gọi điện thoại thông thường Băng thông lớn, đường truyền tốc độ cao vàchi phí thấp là nhu cầu tất yếu của công nghệ hiện thời Chính vì vậy mà mạngthông tin quang đã được ra đời Nó có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệthống trước đây như cung cấp băng thông cực lớn, tỉ lệ phát sinh lỗi cực thấpcũng như suy hao tín hiệu rất nhỏ… Tuy nhiên việc giải quyết nghẽn trongmạng khi lượng thông tin trao đổi quá lớn là cực kỳ cần thiết trong quá trìnhmạng hoạt động Chính vì vậy em đã quyết định chọn đề tài sau làm đồ án củamình:

“Nghiên cứu giải pháp làm lệch hướng đi sử dụng bộ định tuyến trong

hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM”.

Đồ án gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang WDM

Chương 2: Các thành phần cơ bản thực hiện định tuyến trong hệ thốngWDM

Chương 3: Giải pháp định tuyến bằng phương pháp làm lệch hướng đitrong mạng WDM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG WDM

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG WDM

Hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM làviết tắt của từ tiếng anh Wavelength Division Multiplexing Trong hệ thống nàytín hiệu quang gồm nhiều bước sóng được ghép để truyền dẫn đồng thời trong 1sợi quang

Độ rộng băng tần của sợi quang hiện tại cực lớn, vào cỡ 25 THz trong dảitần suy hao thấp 1550nm, nó rộng hơn rất nhiều lần so với độ rộng của băng tầnradio Nhưng do giới hạn tốc độ của linh kiện điện tử trong thiết bị đầu cuối nêntốc độ mới chỉ đạt được cỡ chục Gb/s Như vậy chưa tận dụng được hết băng tầnkhổng lồ của sợi quang Tuy nhiên WDM vẫn là công nghệ hoàn thiện nhất hiệnnay vì nó đã tận dụng được đến dải sóng ánh sáng để truyền tín hiệu đi cực xavới tốc độ rất lớn thay vì dùng cáp đồng trục với các thiết bị thuần điện tử trongquá khứ

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng.

Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng

(nm)

Băng O Gốc (Original) 1260 - 1360

Băng S Ngắn (Short) 1460 - 1530

Băng C Quy ước (Conventional) 1530 - 1565

Băng L Dài (Long) 1565 - 1625

Băng U Siêu dài (Ultra-long) 1625 - 1675

1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như ở hình1.1 Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm viêc trên

các bước sóng khác nhau λ1 , λ2 , , λN Các tín hiệu quang được phát ra ở các

bước sóng này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang Chúng được ghép lại ởphía phát nhờ bộ ghép kênh quang; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy haonhỏ Tín hiệu quang sau khi ghép sẽ được truyền đồng thời dọc theo sợi để tớiphía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía thu sẽ nhận lại các luồng tínhiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép kênh bướcsóng

Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóngquang WDM như ở hình 1.2 Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theomột hướng như ở hình 1.2 a) là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vàosợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ởđầu kia Như vậy, phương án này cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiệntruyền tín hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về Phương án truyền dẫn haihướng như ở hình 1.2 b) thì không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu;điều này tức là có thể truyền thông tin theo một hướng tại các bước sóng λ1 ,

λ2 , , λN và đồng thời cũng truyền thông tin khác theo hướng ngược lại tại các

bước sóng λ’ 1 , λ’ 2 , , λ’ N Vì vậy, phương án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng

Hình 1.2 Hệ thống ghép kênh bước sóng theo một hướng a), và theo hai hướng

b).

Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hướng, thì cần phải có bộghép kênh bước sóng MUX ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ cácnguồn phát quang khác nhau đưa vào một sợi quang chung Tại đầu thu, cầnphải có bộ giải ghép kênh bước sóng DEMUX để thực hiện tách các kênh quangtương ứng Nhìn chung, các laser đơn mode thường không phát một lượng côngsuất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nênvấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát Vấn đề đáng chú ý hơn ở

đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tớiđầu ra bộ ghép ít bị suy hao Đối với bộ giải ghép kênh, vì các bộ tách sóngquang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thểthu được toàn bộ các bước sóng đã được phát đi từ phía thiết bị phát Như vậy,

để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biệnpháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ giảighép thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắtchính xác

Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùnglàm bộ giải ghép bước sóng Như vậy, hiểu đơn giản, từ “bộ ghép - Multiplexer”trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả

bộ ghép và bộ giải ghép; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bịhoặc hai chức năng Vì vậy rõ ràng rằng, khi các luồng tín hiệu quang được giảighép ở phía thu thì bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại

Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: Bộ ghép(MUX), bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫntheo một hướng, còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) được sử dụng cho phương ántruyền dẫn theo hai hướng trên một sợi Hình 1.3 mô tả cấu trúc thiết bị ghép vàgiải ghép hỗn hợp Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận

chuyển đổi đối với các phần tử của ma trận là A ij (x) Các phần tử này là các hệ

số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa vào thứ i

và ra cửa ra thứ j Cách tiếp cận phân tích này khá phức tạp khi áp dụng để thiết

kế và xây dựng các hệ thống WDM

Hình 1.3 Mô tả thiết bị ghép- giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX)

1.3 CÁC THIẾT BỊ WDM

1.3.1 Bộ phát quang

Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát Các bộ phát quang hiện naythường sử dụng nguồn quang là laser phản hồi phân tán DFB (DistributedFeedback Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố (Distributed Bragg ReflectorLaser) Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang được nghiên cứu, ưu điểmcủa nguồn loại này là phổ hẹp và ổn định tần số cao Nhìn chung các nguồnquang phải đảm bảo một số yêu cầu như sau: độ chính xác của bước sóng phát,

độ rộng đường phổ hẹp, dòng ngưỡng thấp, có khả năng điều chỉnh được bướcsóng, tính tuyến tính và nhiễu thấp Các yêu cầu trên đối với nguồn quang đềunhằm tránh các loại nhiễu, đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh hưởng không tốt từmột số hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi BER thấp và đảm bảo chất lượng truyền dẫncủa hệ thống

Để đáp ứng các yêu cầu trên, nguồn quang sử dụng trong các bộ phátthường là các laser đơn mode Laser loại này có laser phát mặt (SEL – SurfaceEmitting Laser) và các cấu trúc có hốc cộng hưởng lựa chọn tần số Ở cấu trúclaser phát mặt, độ dày vùng tích cực nhỏ hơn 10µm và giống như một hốc thẳng

đứng ngắn Bức xạ quang được hướng về phía mặt nhờ các gương 450 hoặc các

bộ phản xạ Bragg cấp hai

Bộ phản xạ lựa chọn tần số là các cách tử nhăn, chính là lớp ống dẫn sóngthụ động nằm kề vùng tích cực Sóng quang lan truyền song song với cách tử.Hoạt động của các laser dựa trên nguyên lý bộ phản xạ cách tử Bragg phân tán.Các laser loại này thể hiện hoạt động mode dọc đơn khá tốt, ít nhạy cảm vớinhiệt độ và dòng điều khiển.

Trong loại laser phản hồi phân tán, cách tử để chọn bước sóng bao phủtoàn bộ vùng tích cực Tại một bước sóng cụ thể, các mode phát của laser đặtđối xứng nhau qua bước sóng phản xạ Bragg Biên độ của các mode phát lasercấp cao hơn giảm một cách đáng kể so với biên độ bậc 0 Mode cấp 1 thường cóbiên độ giảm hơn 30 dB so với biên độ của mode cấp 0 Cách tử của laser DFBđược khắc vào một trong các lớp để tạo ra chiết suất thay đổi theo chu kỳ.Thường tránh khắc cách tử trực tiếp vào lớp tích cực vì nó có thể làm tăng mức

độ tái hợp không bức xạ Về mặt lý thuyết, laser DFB có lớp chống phản xạ ởhai đầu Hai mode bậc 0 ở hai bên bước sóng Bragg có hệ số khuếch đại giốngnhau và nếu cấu trúc hoàn toàn đối xứng thì hai đỉnh này đồng thời được phát.Như vậy để laser làm việc ở chế độ đơn mode, đặc tính cộng hưởng là không đốixứng Muốn vậy có thể dịch cách tử đi khoảng 1/4 hoặc đơn giản là sử dụng lớp

vỏ phản xạ có hệ số phản xạ cao ở một đầu và đầu kia là lớp chống phản xạ

Đối với laser phản xạ Bragg phân tán, các cách tử được đặt ở các đầu củacác lớp tích cực của laser để thay thế cho các gương được dùng trong hốc cộnghưởng Fabry-Perot Trong laser phản xạ phân tán (DR – Distributed Reflector)gồm có các bộ phản xạ phân tán tích cực và thụ động Cấu trúc này cải thiệnđược các đặc tính phát laser của laser DFB và DBR thông thường, hoạt động cóhiệu quả cao, công suất đầu ra lớn

1.3.2 Bộ tách/ghép kênh quang

Tín hiệu từ sợi quang là một tia sáng gồm nhiều tần số sóng quang khácnhau sẽ được đưa tới bộ tách kênh quang Nhiệm vụ của bộ tách kênh này làtách tín hiệu nhận được ra các tín hiệu tại tần số khác nhau Với bộ ghép kênh

quang thì nó sẽ làm công việc ngược lại: nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khácnhau, kết hợp chúng vào một tia sáng để truyền trong sợi quang Thiết bịtách/ghép kênh được chia thành hai loại là thiết bị tách/ghép kênh tích cực vàthiết bị tách ghép kênh thụ động Loại thụ động hoạt động dựa trên nguyên lýcủa lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc Các thiết bị tách/ghép kênh tíchcực thì hoạt động trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với những bộ lọcđiều hưởng trong đấy mỗi bộ cộng hưởng với một tần số nhất định Trong phầnnày ta xem xét một số kỹ thuật tách/ghép kênh quang và các bộ ghép xen/rẽquang.

Một kỹ thuật đơn giản để tách/ghép ánh sáng là sử dụng một lăng kính(hình 1.4) Đặt chùm tia sáng gồm nhiều bước sóng ra khỏi sợi quang tại tiêuđiểm một thấu kính hội tụ Ra khỏi thấu kính sẽ là một chùm sáng trắng songsong chiếu vào bề mặt một lăng kính, mỗi bước sóng thành phần khúc xạ theomột góc khác nhau vì chiết suất lăng kính phụ thuộc bởi bước sóng Đặt tiếp mộtthấu kính sau lăng kính, các tia cùng màu khi ra khỏi lăng kính song song vớinhau sẽ được hội tụ đến một điểm Các sợi quang riêng lẻ đặt tại tiêu điểm củathấu kính sẽ thu được ánh sáng theo các màu khác nhau (hay có bước sóng khácnhau) mang tín hiệu Trường hợp ghép các kênh tín hiệu vào một sợi quangcũng sử dụng các linh kiện trên nhưng thực hiện theo quy trình ngược lại

Hình 1.4 Tách kênh sử dụng lăng kính

Một kỹ thuật khác là sử dụng cách tử nhiễu xạ, kỹ thuật này dựa trên cácnguyên lý về nhiễu xạ của giao thoa quang Khi một nguồn sáng đa sắc chiếuvào một cách tử nhiễu xạ, mỗi bước sóng sẽ bị nhiễu xạ theo một góc khác nhau

và chiếu đến những điểm khác nhau trong không gian Sử dụng thấu kính hội tụ

ta có thể hội tụ các bước sóng này vào các sợi quang riêng biệt Trên hình 1.5biểu diễn cách tử dùng để tách sóng

Hình 1.5 Tách /ghép các bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ

Ngoài hai kỹ thuật phổ biến trên, cách tử dẫn sóng dạng mảng (AWG –Arrayed Waveguide Grating) cũng đang được sử dụng khá nhiều Một thiết bịAWG còn gọi là bộ định tuyến dẫn sóng quang hoặc bộ định tuyến cách tử dẫnsóng, gồm một mảng các kênh ống dẫn sóng cong có sự khác nhau cố định trong

độ dài đường đi giữa các kênh lân cận Các ống dẫn sóng được nối đến mộtkhoang tại đầu vào và đầu ra Khi ánh sáng đi vào khoang phía đầu vào nó sẽnhiễu xạ và đến mảng ống dẫn sóng Tại đó sự khác nhau về đường đi giữa cácống dẫn sóng sẽ dẫn đến sự trễ pha tại phía đầu ra Các sợi quang phía đầu ra đãđược nhân lên nhiều lần Kết quả là các bước sóng khác nhau được giao thoa tối

đa tại các vị trí khác nhau tương ứng với các cổng đầu ra

1.3.3 Bộ khuếch đại quang

“Suy hao đã hạn chế độ dài mà sợi quang có thể truyền tín hiệu nguyênvẹn trước khi phải tái tạo Trước khi có các bộ khuếch đại quang người ta đã

phải sử dụng các bộ lặp cho mỗi tín hiệu phát đi Bộ khuếch đại quang có khảnăng khuếch đại tất cả các bước sóng đồng thời mà không cần biến đổi quang -điện - quang(OEO) Ngoài việc sử dụng trong các kết nối quang, các bộ khuếchđại còn được dùng làm khuếch đại công suất tín hiệu sau khi ghép kênh hoặctrước khi tách kênh vì cả hai trường hợp này đều gây ra suy hao trong hệ thống.Ngày nay trong tất cả các hệ thống WDM đều sử dụng bộ khuếch đại EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier: bộ KĐ quang sợi pha tạp Erbium) Nó đóng vaitrò quan trọng giúp cho hệ thống có khả năng mang những trọng tải lớn trênnhững khoảng cách dài Phần này trình bày một số đặc điểm cơ bản của EDFA:Erbium là một nguyên tố đất hiếm, khi được kích thích nó phát ra ánh sáng cóbước sóng khoảng 1.54 µm - là bước sóng có suy hao thấp với sợi quang sử

dụng trong các hệ thống WDM Các phát xạ tự phát trong EDFA cũng dẫn đếntạp âm cho tín hiệu và xác định hệ số tạp âm trong một bộ khuếch đại Các tham

số quan trọng trong bộ khuếch đại EDFA bao gồm: hệ số khuếch đại, độ phẳngkhuếch đại, mức tạp âm và công suất đầu ra Các bộ khuếch đại này có khả năngcho độ khuếch đại đến 45 dB (10500 lần) và khuếch đại dải bước sóng từ 30 nmđến 35 nm (1535nm – 1565nm) Trên lý thuyết thì hệ số nhiễu của EDFA đạtđược giới hạn lượng tử (giới hạn này gây ra do phát xạ tự phát) Thực nghiệmcho thấy hệ số nhiễu của bộ khuếch đại đạt được xấp xỉ 3 dB, giá trị thực tế từ3.5 đến 6 dB Một ưu điểm của EDFA là bộ khuếch đại có độ nhạy phân cựcthấp, do đó có thể mắc chuỗi các bộ khuếch đại EDFA có các đặc tính bão hoàtốt do công suất bão hoà tăng tuyến tính với công suất bơm.Thời gian sống dài ởtrạng thái kích thích của các ion Er3+ là ưu điểm lớn nhất của EDFA so với cácloại bộ khuếch đại khác Trạng thái kích thích có thể tích luỹ công suất bơmtrong một thời gian dài, do đó công suất bơm trong yêu cầu để giữ được mứcnăng lượng đủ lớn trong một bộ khuếch đại thường rất thấp, chỉ 10 mW đến 20

mW để đạt đến hệ số khuếch đại tín hiệu 30 dB Với các tín hiệu ở các bướcsóng khác nhau sự xuyên nhiễu đa kênh trong bộ khuếch đại rất thấp do thờigian sống ở các trạng thái kích thích dài, mật độ hạt ở trạng thái kích thích

không thể đáp ứng những thay đổi tín hiệu quá nhanh từ bước sóng này xuyênqua bước sóng khác Cũng vì lý do này, EDFA là bộ khuếch đại không méothậm chí trong trường hợp bão hoà sâu Hiển nhiên EDFA có thể tích hợp trongmột mạng quang vì có cấu tạo dựa trên một đoạn sợi Silic Nhược điểm chínhcủa EDFA là phổ khuếch đại không bằng phẳng mà xuất hiện các đỉnh khuếchđại, hệ số khuếch đại không như nhau đối với mọi bước sóng Tuỳ thuộc yêu cầu

hệ thống mà bộ khuếch đại có thể ở các vị trí khác nhau trên tuyến và có yêu cầu

kỹ thuật riêng, có thể chia làm ba loại: BA, LA và PA BA (Booster Amplifier)

là bộ khuếch đại công suất có công suất vào lớn, được sử dụng ngay sau bộ phát

để tăng mức công suất tín hiệu Do công suất đầu ra khá cao nên có thể bỏ quatạp âm ASE Bộ khuếch đại đường dây LA (Line Amplifier) là thiết bị EDFA cómức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) đểtăng chiều dài khoảng lặp Yêu cầu đối với bộ khuếch đại loại này là có côngsuất vào nhỏ, công suất ra lớn và nhiễu gây ra nhỏ nhất Bộ tiền khuếch đại PA(Pre-Amplifier) là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng ngay trước

bộ thu để tăng độ nhạy thu Để đạt được mức tạp âm ASE thấp người ta sử dụngcác bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâmtheo bước sóng nguồn phát Bản thân bộ khuếch đại gây ra nhiễu cho hệ thống.Sau mỗi bộ khuếch đại tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR giảm nên thông thườngsau ba bộ khuếch đại phải đặt thêm bộ lặp để khôi phục tín hiệu.”[1]

như quá trình tái tạo tín hiệu Phương thức điều chế sẽ quyết định mức độ phứctạp của mạch giải điều chế.

Bộ phận tách sóng quang của bộ thu thường dùng photodiode Có hai loạiphotodiode là PIN và APD Photodiode PIN chỉ cần công suất thấp nhưng kémnhạy cảm, cần có bộ khuếch đại phía trước và chỉ hoạt động trên một dải tần sốhẹp APD do có hiệu ứng nhân thác nên dòng quang điện được khuếch đại ngaytrong diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thường đượcdùng trong thông tin quang đường dài

Trong bộ thu có một số tham số quan trọng như đáp ứng phổ, thời gianlên, độ rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu/ tạp âm và độ nhạymáy thu Đáp ứng phổ là một hàm của bước sóng và liên quan mật thiết đến bộtách sóng được dùng Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt và nhiễu lượng tử Độnhạy máy thu là mức công suất thấp nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thuđược với tỉ số lỗi bit BER yêu cầu

1550 nm nhỏ hơn trong vùng 1310 nm và bộ khuếch đại EDFA làm việc tạivùng bước sóng này nên người ta sử dụng sợi quang tán sắc đã dịch (DSF –Dispersion Shifted Fiber) Sợi quang DSF tuân theo khuyến nghị G.653, có tánsắc bằng không tại bước sóng 1550 nm, thích hợp sử dụng trong các hệ thốngWDM thông thường Tuy nhiên do hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh nên nókhông được sử dụng trong các hệ thống kênh mật độ dày đặc DWDM Trongcác hệ thống DWDM người ta sử dụng sợi NZ-DSF (Non-zero DSF), loại sợinày có mức tán xạ thấp tại cửa sổ thứ ba Một loại sợi mới cũng đang được phát

triển cho truyền dẫn WDM là sợi HDSF (Half-Dispersion – shifted Single-modeFiber) Loại sợi này có bước sóng cắt nhỏ hơn 1500 nm, bước sóng có tán sắcbằng không lớn hơn 1450 nm và nhỏ hơn 1500 nm, tại bước sóng hoạt động

1560 nm thì tán sắc còn khoảng 6 đến 11 ps/nm/km

Gần đây, tập đoàn điện tử Sumitomo của Nhật đã tuyên bố vừa phát triểnđược loại sợi quang mới sử dụng cho các hệ thống WDM có tên gọi PureMetro.Đây là sợi NZ-DSF đa chức năng, có các đặc điểm rất tốt cho cả các hệ thốngWDM đô thị và các đường trung kế Dải bước sóng sử dụng cho truyền dẫnDWDM trong các đường trung kế là băng C (1530 nm -1565 nm) và băng L(1565 nm – 1625 nm) tại phía bước sóng dài Các đặc điểm về tán sắc của sợiPureMetro tại dải bước sóng này được xác định thận trọng để cho phép sử dụngPureMetro trong các mạng WDM trung kế hiện có Các ứng dụng của sợiPureMetro đối với các thiết bị truyền dẫn hiện có cho phép truyền dẫn DWDMvới khoảng cách kênh 1 nm hoặc nhỏ hơn Trong các mạng đô thị, truyền dẫn ởkhoảng cách ngắn và trung bình sử dụng WDM đã trở thành xu thế Xuất phát từquan điểm của dải truyền dẫn và chi phí, các bộ khuếch đại quang và các sợiquang bù tán sắc sẽ không được sử dụng nữa Vì vậy đường truyền dẫn cần phải

có suy hao nhỏ và tán sắc nhỏ trên một dải rộng Để đạt được những yêu cầunày, PureMetro được thiết kế là sợi NZ-DSF đầu tiên có suy hao hấp thụ OHthấp và có tán sắc thấp, cân bằng trong dải bước sóng từ 1280 nm đến 1625 nm.Đây là loại sợi quang thích hợp để xây dựng các mạng WDM đô thị Sợi quangnày có khả năng ứng dụng trong các đường trung kế khoảng cách lớn cũng nhưcác mạng đô thị Người ta dự đoán sợi quang này sẽ được sử dụng rộng rãi trongnhiều hệ thống WDM thông thường

CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN THỰC HIỆN ĐỊNH

Bộ ghép kênh N x N có thể được sử dụng như một bộ định tuyến bướcsóng Người ta đã thiết kế cấu trúc sử dụng 2 bộ ghép hình sao N x M để saocho M cổng đầu ra của bộ ghép hình sao này được nối với M cổng đầu vào của

bộ ghép hình sao khác thông qua một mảng M ống dẫn sóng làm việc như mộtcách tử dẫn sóng Thiết bị như vậy được gọi là bộ định tuyến cách tử dẫn sóngWGR (Waveguide-grating router) như được chỉ ra trong hình 2.2 Bộ ghép hìnhsao N x M thứ nhất sẽ phân chia đều công suất của N kênh đầu vào cho M cổngđầu ra Cách tử được tạo ra từ M ống dẫn sóng sẽ tách các kênh khác nhau theocác bước sóng của chúng Bộ ghép hình sao N x M thứ hai sẽ phân phối các tínhiệu đã được tách cho các cổng đầu ra Kết quả là các tín hiệu WDM đầu vàođến từ N nút mạng khác nhau sẽ được định tuyến tới một tập hợp khác của Nnút mạng khác, và việc phân luồng chỉ dựa vào các bưóc sóng của các kênh đầuvào

Hình 2.1 Sơ đồ bộ định tuyến bước sóng.

cho như sau:

Với n p và n q là các hệ số ghép của hai bộ ghép hình sao, b là hằng số phụ thuộc vào sự phân chia góc giữa các cổng của mảng dẫn sóng, và P m là công suất trongống dẫn sóng thứ m Rõ ràng là từ biểu thức (7-5) thấy rằng phổ truyền dẫn của

WGR là có chu kỳ Với giá trị p cho trước, các đỉnh tại bước sóng khác

nhau do q sẽ bị thay đổi, và thiết bị sẽ hoạt động như một bộ tách kênh 1 x N.

Do đó, WGR có thể được coi như là N bộ giải ghép kênh làm việc song song vớiđặc tính sau đây Nếu tín hiệu WDM từ cổng đầu vào đầu tiên được phân phốicho N cổng đầu ra theo thứ tự λ1 , λ2 , , λN thì tín hiệu WDM từ cổng đầu vào

thứ hai sẽ được phân phối như sau λN , λ1 ,… λN-1 và chu kỳ tiếp theo cũng tương

tự như vậy đối với các cổng đầu vào khác Viêc tối ưu hoá WGR nhằm giảmxuyên kênh và tăng lớn nhất hệ số ghép đòi hỏi sự điều chỉnh chính xác nhiềuthông số thiết kế, và thiết lập một số nguyên tắc thiết kế Ví dụ, số lượng ốngdẫn sóng làm cách tử dẫn sóng nên gần với 2N, điều đó sẽ cho phép khoảngcách kênh tương đối nhỏ với lượng xuyên âm nhỏ nhất

Mặc dù thiết kế phức tạp, WGR vẫn được chế tạo bằng cả hai công nghệsilica-on- silicon và InGaAsP/InP; kết quả là có thể tạo ra thiết bị tích hợp, chắcchắn (khoảng 1cm2) Thời gian đầu, số lượng các cổng đầu vào và đầu ra bị hạnchế dưới 16 cổng, nhưng vào năm 1996 thì các cách tử WGR 128 x 128 có 128cổng đầu vào và đầu ra dưới dạng mạch sóng ánh sáng hai chiều đã sẵn có.Chúng có thể hoạt động trên các tín hiệu WDM với khoảng cách kênh nhỏ tới0,2 nm trong khi đó mức xuyên kênh vẫn giữ được ở mức thấp hơn 16 dB CácWGR đều rất cần thiết cho việc định tuyến trong các mạng WDM, nhưng chúngcũng có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác ngoài khả năng định tuyến

Chúng cũng được sử dụng để làm các bộ phát và các bộ thu quang nhiều kênh,các bộ lọc xen/rẽ có điều chỉnh, và các bộ ghép kênh xen/rẽ Các ứng dụng của

chúng dẫn đến một kỹ thuật mới được gọi là kỹ thuật cắt lát phổ, cho phép sử

dụng LED như một nguồn đa bước sóng giá thành thấp cho các ứng dụng mạngnội hạt Ý tưởng cơ bản của nó khá đơn giản Nếu đầu ra của LED được điềuchế để tạo ra một tín hiệu nối với một WGR, phổ giãn rộng của LED bị cắtthành nhiều phần tương ứng với số lượng các cổng đầu ra WGR Kết quả là, tínhiệu điều chế được phân phối cho nhiều người sử dụng tại những bưóc sóngkhác nhau được xác định bằng WGR thông qua việc cắt lát phổ

Trong thực tế, các mạng thông tin quang hiện nay hầu hết đều sử dụngcác tín hiệu quang cho việc chuyển tải thông tin giữa các nút mạng, đồng thời sửdụng tín hiệu điện cho việc định tuyến trong các nút Các kết nối chéo số chỉ sửdụng tín hiệu quang như các giao diện mạng và chuyển mạch vẫn được xử lýdưới dạng điện Vì vậy sẽ kéo theo cả thời gian và chi phí cho việc thực hiệnmột số lượng lớn các biến đổi điện/quang

Trong tương lai, với các mạng giao thức internet IP (Internet Protocol) thìviệc bảo vệ và định tuyến quang là điều vô cùng cần thiết Các thành phần cơbản của các mạng toàn quang này là các khối xen/rẽ (mà chúng có thể tách vàxen một hoặc nhiều bước sóng) và các bộ đấu chéo quang; các bộ đấu chéo này

sẽ sử dụng chuyển mạch quang nhằm cung cấp độ thông suốt về giao thức vàtốc độ bit Trong tương lai cũng sẽ có rất nhiều các các module định tuyếnquang cho phép các hệ thống này chuyển từ giai đoạn nghiên cứu thử nghiệmthành các hệ thống thực tế

Chuyển mạch và định tuyến hiện tại bị hạn chế bởi tốc độ xử lý của cácphần tử điện tử Hiện nay, người ta đang phát triển một thế hệ thiết bị địnhtuyến sử dụng các kỹ thuật xử lý song song nhằm mở rộng dung lượng xử lý củacác bộ định tuyến điện tử Tuy nhiên tính khả thi của phương án này vẫn chưađược chứng minh Trong xu hướng thiết kế các bộ định tuyến quang dựa trêncông nghệ WDM, các nhà nghiên cứu đang quan tâm phát triển các bộ định

tuyến dung lượng lớn dựa trên công nghệ nội tại, ví dụ như bộ định tuyến quang

IP multi-Terabit của Alcatel Điểm mấu chốt của công nghệ này là các thiết bịđiện tử tốc độ cao làm từ vật liệu bán dẫn nhóm III-V và Si-Ge Sự tích hợp cácchức năng từ 2 công nghệ này có thể xây dựng nên các bộ định tuyến chuyểnmạch gói multiTerabit hoạt động tại một tốc độ mà có khả năng nâng cấp cả vềtốc độ giao diện và tổng dung lượng hệ thống

2.2 CÁC BỘ XEN/RẼ

Các bộ ghép xen/rẽ là rất cần thiết cho các mạng WDM trong đó một haynhiều kênh cần được tách ra hoặc xen vào trong khi vẫn phải bảo toàn tínhnguyên vẹn của các kênh khác Người ta có thể coi một thiết bị WDM như vậygiống như một cặp tách kênh-ghép kênh hỗn hợp vì quy trình hoạt động của nóđòi hỏi việc giải ghép tín hiệu WDM đầu vào, chuyển đổi nội dung dữ liệu củamột hay nhiều kênh bước sóng và rồi sau đó lại ghép chúng lại Hình 2.3 a) mô

tả nét chung về cấu trúc của bộ ghép kênh xen/rẽ bằng sơ đồ khối Vì một bộgiải ghép (tách) kênh hoạt động như một bộ ghép kênh nhưng theo chiều ngượclại, cho nên bộ ghép kênh xen/rẽ sử dụng hai bộ giải ghép kênh được bố trí mộtcách hợp lý Bất kỳ bộ tách kênh được nói đến ở phần trên đều có thể dùng đểtạo thành các bộ ghép kênh xen/rẽ Thậm chí nó còn có thể khuếch đại tín hiệuWDM và cân bằng các công suất kênh tại bộ ghép kênh xen/rẽ vì mỗi kênh cóthể điều khiển được một cách riêng rẽ

Nếu như một kênh nào đó có nhu cầu tách ra và không đòi hỏi sự điềukhiển riêng rẽ, thì người ta có thể dùng một thiết bị nhiều cổng để gửi kênh nàytới một cổng trong khi toàn bộ các kênh khác được chuyển tới một cổng khác,

do đó tránh được sự cần thiết phải tách tất cả các kênh Những thiết bị như vậythường được gọi là các bộ lọc xen/rẽ vì chúng lọc ra được một kênh xác định

mà không ảnh hưởng tới tín hiệu WDM Nếu chỉ một phần nhỏ công suất kênhđược lọc ra thì thiết bị như vậy sẽ hoạt động như một “khoá quang”, vì nó bỏqua một lượng tín hiệu WDM không đụng tới

Có một số loại bộ lọc xen/rẽ đã được phát triển gần đây Cấu trúc đơngiản nhất là sử dụng một chuỗi các bộ ghép hướng kết nối với nhau, tạo thànhmột chuỗi MZ tương tự như một bộ lọc MZ đã đề cập trước đây Tuy nhiên,ngược với bộ lọc MZ, trong mỗi bộ giao thoa MZ có một độ trễ tương đối Tm.Thiết bị như vậy đôi khi được gọi là bộ ghép cộng hưởng, nó ghép một kênhbước sóng xác định tới một cổng đầu ra trong khi các kênh còn lại xuất hiện tạicổng đầu ra khác Đặc tính của nó có thể tối ưu hoá bằng cách điều khiển các tỷ

số ghép của các bộ ghép hướng khác nhau Mặc dù các bộ ghép cộng hưởng cóthể được thực hiện theo một cấu hình hoàn toàn bằng sợi nhờ việc sử dụng các

bộ ghép sợi, nhưng công nghệ dẫn sóng silica-on-silicon đã đưa ra một sự lựachọn chắc chắn cho việc thiết kế các bộ lọc xen/rẽ này

hình 2.3 Bộ ghép và lọc xen/ rẽ:

a) bộ ghép xen/rẽ sử dụng chuyển mạch quang OS, b) bộ lọc xen rẽ bằng bộ giao thoa Mach-Zehnder MZ.

Nhờ có tính chọn lọc bước sóng, các cách tử Bragg cũng có thể đượcdùng để làm bộ lọc xen/rẽ Thiết bị này được coi là một bộ ghép hướng hỗ trợ

cách tử (gratting-assisted) hay cách tử gấp khúc (gratting-folded); cách tử Bragg

được đặt ở giữa bộ ghép hướng Trong một số thiết bị khác thì có hai cách tửgiống nhau hình thành trên hai nhánh của bộ giao thoa MZ Hoạt động của cảhai loại thiết bị này có thể mô tả như trên hình 2.3 b), ở đây cấu trúc MZ đượcchỉ ra dưói dạng sơ đồ Một kênh có bưóc sóng λg rơi trong dải giới hạn củacách tử Bragg, được phản xạ toàn phần và xuất hiện tại cổng 2 Các kênh còn lạikhông được cách tử phản xạ thì xuất hiện tại cổng 4 Thiết bị tương tự như vậy

có thể thêm vào một kênh tại bước sóng λg nếu tín hiệu tại bước sóng đó đượcbơm vào từ cổng 3 Nếu như các quá trình xen và rẽ được thực hiện đồng thờithì điều quan trọng là phải tạo ra cách tử có độ phản xạ cao (gần 100%) để làmgiảm xuyên kênh

Bộ ghép hướng cách tử gấp khúc được chế tạo bằng các ống dẫn sóngInGaAsP/InP Cách này cho phép tích hợp bộ lọc xen/rẽ với bộ tách sóng quanghoặc nguồn laser Việc thiết kế các bộ lọc xen/rẽ hoàn toàn sợi cũng được quantâm đến vì nó tránh được suy hao ghép có thể xảy ra khi sử dụng các bộ lọcxen/rẽ bán dẫn Cấu trúc MZ của bộ lọc xen/rẽ được dùng để tạo ra bộ lọcxen/rẽ hoàn toàn sợi với hiệu suất tách đạt hơn 99%, trong khi mức xuyên kênhvẫn giữ được dưới 1% Ngoài ra còn có một số phương thức khác là dùng cách

tử để làm các bộ lọc xen/rẽ Thứ nhất là sử dụng một ống dẫn sóng có cách tửdịch pha để xen hoặc tách một kênh từ tín hiệu WDM đang truyền trong ốngdẫn sóng bên cạnh Thứ hai là phối hợp hai cách tử dẫn sóng giống nhau với các

bộ khuếch đại để thực hiện bộ lọc tách kênh

Các thiết bị xen/rẽ kênh cũng đã trải qua các bước phát triển và được ứngdụng phù hợp trong từng giai đoạn của thông tin quang sợi sử dụng công nghệWDM Trong thực tế, các hệ thống WDM thế hệ đầu tiên được phát triển chủyếu cho các ứng dụng điểm- điểm Để xen/rẽ lưu lượng tại một bước sóng nào đótrên tuyến thì cần phải tách ghép toàn bộ các bước sóng như mô tả trên hình 2.4